Jagd auf Schwarze Löcher des Ozeans

Die milden Winter Nordeuropas verdanken wir dem Golfstrom. Er ist Teil der weltumspannenden Meeresstr?mungen, die unser Klima pr?gen. Zus?tzlich wird unser Klima aber auch durch riesige Meereswirbel mit mehr als 150 Kilometern Durchmesser beeinflusst. Die Zahl solcher Wirbel in s¨¹dlichen Ozeanen nimmt laut Forschungsberichten zu, was den Transport von warmem und salzigem Wasser nach Norden erh?ht. Dies k?nnte den negativen Einfluss schmelzenden Polareises ausgleichen.

Bisher konnten Wissenschaftler diese Wirkung der Wirbel jedoch nicht genau messen, da sie die Grenzen der rotierenden Wassermassen nicht bestimmen konnten. George Haller, Professor f¨¹r Nichtlineare Dynamiken an der ETH Z¨¹rich, und Francisco Beron-Vera, Forschungsprofessor f¨¹r Ozeanographie an der Universit?t von Miami, haben nun eine L?sung f¨¹r dieses Problem gefunden. In einer Publikation im Fachmagazin Journal of Fluid Mechanics stellen sie eine neue mathematische Methode vor, wassertransportierende Meereswirbel mit klarer Umgrenzung zu erkennen.

Die Schwierigkeit, solche Wirbel zu finden, liegt darin, zusammenh?ngende Wasserinseln in einem turbulenten Ozean ausfindig zu machen. Die gleichzeitig rotierende und gesamthaft driftende Bewegung erscheint f¨¹r einen Beobachter ausserhalb und innerhalb eines Wirbels als chaotisch. Haller und Beron-Vera konnten Ordnung in dieses Chaos bringen, indem sie zusammenh?ngende Wasserinseln in einer Sequenz von Satellitendaten identifizierten. Zu ihrem Erstaunen erkannten sie dabei, dass solche fest zusammenh?ngenden Wirbel mathematisch Schwarzen L?chern ?hneln.

Kein Entkommen aus dem Sog

Schwarze L?cher sind Objekte im Weltall mit einer so grossen Masse, dass sie alles, was sich ihnen auf eine bestimmte Distanz n?hert, anziehen. Nichts, was in ihren Wirkungsbereich ger?t, kann ihnen entkommen, nicht einmal Licht. Aber wenn ein Lichtstrahl ein Schwarzes Loch in einem bestimmten Abstand streift, wird er durch dessen Schwerkraft so stark gebogen, dass er sich zu einem kreisf?rmigen Orbit schliesst. Eine Barriereoberfl?che, zusammengesetzt aus solch geschlossenen Lichtringen, wird in Einsteins Relativit?tstheorie als Photonsph?re bezeichnet.

Haller und Beron-Vera entdeckten ?hnliche geschlossene Barrierelinien um bestimmte Meereswirbel. Auf diesen Linien bewegen sich Fl¨¹ssigkeitspartikel wie auf einem geschlossenen Orbit ¨C ?hnlich der Bewegung von Licht in einer Photonsph?re. Und wie bei Schwarzen L?chern kann nichts aus dem Inneren dieser geschlossenen Barrierelinien entkommen, nicht einmal Wasser.

Genau diese Barrieren sind es, die dabei helfen, fest zusammenh?ngende Meereswirbel in der grossen Menge vorhandener Satellitendaten zu erkennen. Laut Haller ist es sehr erstaunlich, dass es solche koh?renten ?Wassersph?ren? tats?chlich gibt.

Wirbel als Wassertaxi

Weil die Wirbel so stabil zusammenhalten, funktionieren sie wie ein Transportvehikel - nicht nur f¨¹r Kleinstlebewesen wie Plankton oder Fremdk?rper wie Plastikm¨¹ll oder ?l, sondern auch f¨¹r Wasser mit einer Temperatur und einem Salzgehalt, die vom umliegenden Wasser abweichen k?nnen. Haller und Beron-Vera haben diese Beobachtung bei den so genannten Agulhas Ringen ¨¹berpr¨¹ft, eine Gruppe von Meereswirbeln, die regelm?ssig im s¨¹dlichen Ozean an der S¨¹dspitze Afrikas entstehen und warmes, salziges Wasser nordw?rts transportieren. Die Forscher verfolgten sieben Agulhas-Ringe des Schwarzen-Loch-Typs, die das Wasser, das sie umfassten, fast ein Jahr ohne Durchmischung mit dem umliegenden Wasser bef?rderten.

Solch koh?rente Wirbel kommen laut Haller noch in anderen komplexen Str?mungen ausserhalb des Meeres vor. In diesem Sinne sind viele Wirbelst¨¹rme wahrscheinlich auch Schwarzen L?chern ?hnlich. Das wohl spektakul?rste Beispiel f¨¹r einen Wirbel des Schwarzen-Loch-Typs k?nnte der grosse rote Fleck ¨C ein station?rer Megasturm ¨C des Planeten Jupiter sein. ?Mathematiker versuchen schon lange, solche koh?renten Wirbel in komplexen Str?mungen zu verstehen?, erkl?rt Haller.

Erstaunlicherweise war vermutlich der erste, der Meereswirbel als solche scharf abgegrenzten Wirbelstr?me erkannt hat, der amerikanische Autor Edgar Allan Poe. In seiner Geschichte ?A Descent into the Maelstrom? beschreibt er einen stabilen G¨¹rtel aus Schaum um einen Meeresstrudel. Dies diente Haller und Beron-Vera als Inspiration, um nach diesen stabilen G¨¹rteln ¨C dem Meeres-?quivalent von Photonsph?ren ¨C mit ausgekl¨¹gelten mathematischen Formeln zu suchen. Ihre Resultate k?nnten dabei helfen, einige der grossen Fragestellungen der Ozeanforschung zu beantworten, von Klima-bezogenen Fragen bis zu Ausbreitungsmustern von M¨¹ll und ?l.

Schwarzes Loch im Golf von Mexiko

Kurz nach der Publikation von Hallers und Beron-Veras Resultaten, testete Josefina Olascoaga, Professorin f¨¹r Ozeanographie in Miami, die neue mathematische Methode. V?llig unerwartet entdeckte sie dabei einen Wirbel des Schwarzen-Loch-Typs im Golf von Mexiko. Olascoaga nutzt diese Entdeckung nun, um die koh?rente Ausbreitung einer m?glichen zuk¨¹nftigen ?lpest zu berechnen.