- Onderzoek
- 08/01/2016
De aarde in een pilaar
Onze toekomst op aarde wordt bepaald door turbulente convectie in de atmosfeer, oceanen en de vloeibare aardkern. Toch weten we van die invloedrijke stromingen betrekkelijk weinig; je kunt ze namelijk moeilijk meten. Daarom wil Rudie Kunnen deze geofysische fenomenen nabootsen in een smalle, roterende cilinder van vier meter hoog. De stromingsexpert kreeg hiervoor onlangs een Europese Starting Grant van 1,8 miljoen euro.
Veel grootschalige stromingen in de natuur - zoals luchtstromen in de atmosfeer, oceaanstromingen en de bewegingen van het vloeibare metaal onder het aardoppervlak - worden aangedreven door verwarming en beïnvloed door de rotatie van de aarde. Over deze zogeheten roterende Rayleigh-Bénard convectie is volgens Rudie Kunnen al best veel bekend. Maar hoe deze stromingen precies op geofysische schaal uitwerken, is een vraag waarop klimaatwetenschappers graag een antwoord zouden willen hebben.
Hij is zelf geen klimaatdeskundige, haast Kunnen zich te zeggen. “Maar ik weet wel dat de hoeveelheid warmte die weglekt naar de ruimte, afhankelijk is van de stromingen in de atmosfeer. Het is praktisch onmogelijk om dat te meten, dus heb je stromingsmodellen nodig om hierover voorspellingen te doen.” Zijn onderzoek kan daardoor zeker een bijdrage leveren aan de klimaatpuzzel, denkt hij.
“Als de magnetische noordpool in Nederland komt te liggen,
legt kosmische straling al onze communicatie lam”
Het nieuwe project van Kunnen is echter met name relevant voor wat zich onder onze voeten afspeelt, benadrukt de natuurkundige. Doordat in het binnenste van de aarde enorme stromen vloeibaar ijzer rondgaan, is de aarde omgeven door een magneetveld. Dit aardmagnetisch veld beschermt ons tegen allerlei schadelijke straling uit de ruimte: als het wegvalt, zouden we dat niet overleven. En zelfs een kleine verandering in de ijzerstromen ver onder de aardkorst kan al grote gevolgen hebben. “Als de magnetische noordpool in Nederland komt te liggen, bijvoorbeeld, dan zou de kosmische straling al onze communicatie lamleggen.”
Reden genoeg dus om te willen weten hoe die binnenaardse stromingen zich precies gedragen. De aardkern is voor ons helaas ontoegankelijk terrein, waardoor we - meer nog dan voor de atmosfeer - afhankelijk zijn van computermodellen met extrapolaties van meetgegevens uit het laboratorium. Het is echter heel lastig om in het lab een systeem te creëren dat de geofysische processen in het binnenste van de aarde goed nabootst.
“Essentieel is vooral de verhouding tussen de invloed van de rotatie en de opwaartse kracht die wordt veroorzaakt door verwarming van onderaf”, legt de jonge universitair docent uit. “En die verhouding is voor geofysische stromingen heel anders dan op laboratoriumschaal. Er zijn aanwijzingen uit computermodellen dat in dit zogeheten geostrofe regime de verwachte kolomvormige stroming afwezig is. Dat kan grote gevolgen hebben voor zowel de atmosfeer als de aardkern, maar er zijn nog geen experimenten die dat bevestigen.”
Het punt is dat het geen zin heeft om een miniatuurversie van de aarde in het lab te bouwen. Doordat de relevante eigenschappen van het systeem ieder heel anders reageren op zo’n verkleining, gedraagt zo’n mini-aarde zich heel anders dan onze planeet zelf. De verhoudingen tussen de verschillende krachten - zoals de corioliskracht die ontstaat door de rotatie, de zwaartekracht, de drukkrachten die ontstaan door temperatuurverschillen en de centrifugaalkracht - zijn namelijk sterk afhankelijk van de grootte van het systeem.
Neem bijvoorbeeld een draaimolen waarin je met duizend kilometer per uur ronddraait: weinig kans dat je daar niet uitgeslingerd wordt. Toch is dat de snelheid waarmee we in Nederland om de aardas draaien, zonder dat we ons daarvan bewust zijn. Omgekeerd zou je in de draaimolen bij dezelfde rotatiefrequentie als de aarde (een rondje per 24 uur) niet eens zien dat je beweegt. Om vergelijkbare redenen kun je niet zomaar een nieuw type windmolen testen met een schaalmodel van twintig centimeter hoog, en voelt water voor bacteriën veel stroperiger aan dan voor een mens.
Rekening houdend met die schaaleffecten, kwam Rudie Kunnen tot de conclusie dat hij het meest kan leren over bovengenoemde geofysische stromingen in een smalle cilinder met een doorsnede van veertig centimeter en vier meter hoog. Allesbehalve een wereldbol dus, maar een soort om zijn as draaiende holle pilaar, waarin water van onderen wordt verwarmd tot boven de tachtig graden en bovenaan wordt afgekoeld.
“Vier meter is een praktische hoogte, want dan past de cilinder nog net in ons lab”
De cilinder moet smal zijn, legt hij uit, omdat je hem rond wilt kunnen laten draaien zonder dat het effect van de centrifugaalkracht te groot wordt. “Dan krijg je namelijk dat de opgewarmde vloeistof naar de as van de cilinder wordt gedrukt omdat die lichter is dan zijn omgeving.” En dat is dus een effect dat hij níet wil onderzoeken. Hoe hoger de cilinder, hoe beter: het drukeffect van de verwarming van onderaf neemt namelijk toe met de derde macht van de hoogte. “Vier meter is een praktische hoogte, want dan past hij nog net in ons lab.”
De belangrijkste vraag is of er in de cilinder inderdaad geen verticale kolomvormige wervels ontstaan, terwijl Kunnen die wél ziet in de platte cilinder van 23 bij 23 centimeter die hij nu tot zijn beschikking heeft in het lab van Turbulence and Vortex Dynamics. Om die wervels te zien, zal hij een techniek gebruiken waarmee de TU/e-alumnus al sinds zijn afstudeerproject werkt: stereoscopic particle image velocimetry (SPIV). Hierbij worden kleine deeltjes met laserlicht en snelle camera’s gevolgd op hun pad door de vloeistof. “SPIV toepassen in een roterend systeem is erg complex. Maar we zijn daarin wereldwijd leidend, dus dat gaat wel lukken. Het zal nog wel een grote uitdaging zijn om ervoor te zorgen dat er geen warmte weglekt aan de zijwanden. We zullen de cilinder daarom dik moeten inpakken in isolatiemateriaal.”
Discussie