Science-Texts

Aktuelle Seite: Home > Muster in der Natur > Strukturen im Sand: Das Muster des Monats, 08/2018

Strukturen im Sand: Das Muster des Monats, 08/2018

Muster des Monats; (c) Stephan Matthiesen 2018

Habe ich hier ein Skelett, vielleicht den Schwanz eines Wals oder gar eines Dinosauriers, im Sand entdeckt? (Dinosaurier kommen am Ende vor, versprochen!)

Treten wir einen Schritt zurück, sieht es nicht mehr wie ein Dinosaurierschwanz aus, eher vielleicht wie eine unheimliche außerirdische Kreatur:

Muster des Monats; (c) Stephan Matthiesen 2018

Im Gesamtkontext und mit einem Wanderstock als Größenvergleich wird aber klarer, um was es sich hier handelt:

Rippel am Strand (c) Stephan Matthiesen 2018

Es sind Rippelmarken am Strand, und zwar am Tentsmuir Beach an der Mündung des Firth of Tay bei Dundee (Schottland):

Rippel am Strand (c) Stephan Matthiesen 2018

Wie entsteht die federartige Form mit größeren Sandrücken, von denen kleinere ausgehen? Diese hier sind relativ komplex; bekannter sind einfache Rippelmarken, die aus parallelen Sandrücken bestehen:

Rippel am Strand (c) Stephan Matthiesen 2018

Rippel im Sand sind eine Folge von Wasserströmungen. Sie bilden sich im rechten Winkel zur Strömungsrichtung; im letzten Bild strömte das Wasser bei Ebbe von links nach rechts; rechts oben ist noch etwas stehendes Wasser zu sehen. (Nebenbei, da die Begriff "Ebbe" bzw. "Flut" manchmal falsch verwendet werden: Ebbe und Flut sind die Zeiten, in denen das Wasser fällt bzw. steigt, nicht der tiefste bzw. höchste Wasserstand; diese nennt man Tideniedrigwasser bzw. Tidehochwasser).

Wenn das Wasser über den Sand strömt, werden Sandkörner durch rollende oder springende Bewegung ("Saltation") mittransportiert. Warum dabei Rippel entstehen, ist leider nicht einfach zu erklären, wie sehr viele Effekte der Strömungsmechanik.

Eine anschauliche Erklärung geht etwa so. Man stelle sich eine flache Sandfläche vor, in der es kleine, zufällige Unebenheiten gibt. Wenn nun Wasser über diese Sandfläche strömt, dann fließt es dort, wo eine kleine Erhebung ist, schneller (so ähnlich, wie Flüsse bei Hindernissen Stromschnellen bilden). Dies führt dazu, dass mehr Sandkörner die Erhebung hinauftransportiert werden, aber am Kamm, wo die Strömung nachlässt, liegen bleiben. Daher wachsen zufällige Unebenheiten immer weiter an, bis sie eine Größe erreicht haben, bei der ihre Seiten so steil sind, dass ebenso viele Sandkörner wieder hinunterpurzeln, wie durch die Strömung hochgetragen werden.

Wenn man genau hinsieht, erkennt man, dass die Rippel hier jeweils auf der linken Seite (der Luvseite, aus der die Strömung kommt) flacher ansteigen, aber auf der strömungsabgewandten Leeseite (rechts des Kamms) ziemlich steil abfallen:

Rippel am Strand (c) Stephan Matthiesen 2018

Diese Asymmetrie liegt an den unterschiedlichen Vorgängen auf den beiden Seiten: Die Steigung der Luvseite wird durch die Strömung bestimmt, auf der Leeseite aber durch das Hinunterpurzeln der Sandkörner.

Will man die Rippelentstehung aber genau beschreiben, muss man in die Strömungsmechanik einsteigen, die bei meinem Physikstudium unter uns Studenten als weitaus schwieriger galt als etwa die Quantenphysik. Es handelt sich hier um eine Grenze zwischen zwei "Flüssigkeiten" (der Sand ist zwar körnig, aber beweglich, und kann daher mathematisch als strömende "Flüssigkeit" angesehen werden), die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fließen. Rechnet man die energetischen Verhältnisse durch, ergibt sich das Helmholtz'sche Gesetz: "Strömen zwei Medien unterschiedlicher Dichte aneinander vorbei, so ergibt sich eine wellenförmige Begrenzungsfläche". Wer das genauer verstehen und ausrechnen will, sei auf den Wikipedia-Eintrag zur Kelvin-Helmholtz-Instabilität verwiesen.

So weit zu den einfachen Rippelmarken. Im ursprünglichen Musterbild haben wir aber eine komplexere Form mit kleinen "Rippen", die von einer zentralen "Wirbelsäule" ausgehen. Wie kommt das zustande? Das folgende Bild hilft bei der Erklärung:

Rippel am Strand (c) Stephan Matthiesen 2018

Das Wasser ist zunächst, bei noch relativ hohem Wasserstand, vom Strand direkt zum Meer abgelaufen, etwa in Richtung links oben in diesem Bild. Dabei entstanden große Rippel, die sich senkrecht dazu (also im Bild von links unten nach rechts oben) bildeten. Ab einem bestimmten Wasserstand wurde die Fläche aber durch die Sandbank im Hintergrund vom Meer abgeschnitten, und das restliche Wasser floss nun durch einen Priel (Abflusskanal) in eine andere Richtung, nämlich nach rechts oben im Bild. Diese Strömung war schwächer, sodass sie die ursprünglichen Rippel nicht wieder zerstörte, aber in den Tälern der ursprünglichen Rippel ein neues System von Rippelmarken erzeugte, die senkrecht zu den ersten stehen. So entstand die zusammengesetzte, federartige Rippelstruktur.

Die Rippel sind von Ort zu Ort unterschiedlich, je nachdem, wie sich die lokalen Strömungsverhältnisse beim Ablaufen des Wassers verändert haben. Bevor ich also zu den am Anfang versprochenen Dinosauriern komme, hier ein paar weitere Eindrücke:

Rippel am Strand (c) Stephan Matthiesen 2018

Rippel am Strand (c) Stephan Matthiesen 2018

Rippel am Strand (c) Stephan Matthiesen 2018

Rippel am Strand (c) Stephan Matthiesen 2018

Rippel am Strand (c) Stephan Matthiesen 2018

Warum interessieren sich Forscher eigentlich für solche Rippel? Neben der allgemeinen Freude an der Erforschung von natürlichen Phänomenen gibt es einen praktischen Grund. Fossilien von ausgestorbenen Tieren werden manchmal in Gesteinen gefunden, die ähnliche Rippelmarken aufweisen. Wenn man die Form der Rippel analysiert, kann man einiges über ihre Entstehung und damit über die natürliche Umwelt dieser ausgestorbenen Tiere rekonstruieren. In Flussbetten sind sie meist eher einfach und regelmäßig, da die Strömung gleichmäßig ist, Rippel am Strand sind eher komplex. Die Strömungsrichtung erkennt man an der oben beschriebenen Asymmetrie der Rippel. Wellenbewegung erzeugen symmetrische Rippel, weil die Strömungsrichtung ständig wechselt.

Nun aber zu den Dinosauriern. Ok, das war etwas gemein: Es geht um Vögel. Nach der modernen biologischen Systematik (Kladistik) zählen sie zu den Dinosauriern, da sie Nachfahren der "klassischen" Dinosaurier des Erdmittelalters sind; zu einer kladistischen Gruppe gehören stets auch alle Nachfahren. Vögel sind Theropoden, eine Dinosauriergruppe, zu der auch Tyrannosaurus rex gehörte.

Papageientaucher (c) Stephan Matthiesen 2018

Beim gleichen Ausflug war ich nämlich auf der Isle of May, auf der große Brutkolonien von Papageientauchern leben. Sie sind nicht gerade die elegantesten Flieger...

Papageientaucher (c) Stephan Matthiesen 2018

... aber ganz gut im Fischfang. Mitte Juli ist gerade die Fütterungszeit der Jungen, und viele Alttiere hatten mehrere Fische im Schnabel:

Papageientaucher (c) Stephan Matthiesen 2018

Wie schaffen es diese Vögel eigentlich, zwei Fische im Schnabel zu halten? Fällt der erste nicht raus, wenn sie den zweiten fangen? Ein weiteres Rätsel der Natur...

Kommentare powered by CComment