Die Welt im Wachsmodell

Wie Wissenschaftler mit flüssigem Paraffin die Prozesse am Meeresgrund simulieren / Neue Ausgabe von MaxPlanckForschung erschienen

Am Meeresgrund brodelt und zischt es. Jedes Jahr ergießen sich dort aus glühenden Spalten rund um die Erde etwa drei Kubikkilometer frische Magmamasse. Die Lava lässt auch den Mittelozeanischen Rücken in die Höhe wachsen, wo zwei Platten der Erdkruste mit bis zu 18 Zentimetern pro Jahr auseinander driften. Um diese Bewegung der Kontinentalplatten zu verstehen, brauchen Wissenschaftler aufwändige Computermodelle – oder eine Wanne voll mit Wachs: Mit flüssigem Paraffin simulieren Eberhard Bodenschatz und Will Brunner vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen die Prozesse am Meeresgrund. Was zunächst als wissenschaftliches Hobby des Physikers begann, hilft Geologen inzwischen, auch Details der Kontinentaldrift zu verstehen. Über Arbeit und Ergebnisse der Göttinger Forscher berichtet die neueste Ausgabe des Wissenschaftsmagazins MaxPlanckForschung (1/2006).

Mehr als 100 Millionen Jahre dauert am Meeresgrund, was sich im Labor von Bodenschatz und Brunner in einer Stunde abspielt: Ein beheiztes Bad mit Paraffin simuliert hier die Bewegung der Kontinentalplatten. Auf das flüssige Wachs bläst ein Ventilator kühle Luft, so dass die Wachsoberfläche erstarrt. Zwei Schöpfarme an beiden Seiten der Wanne ziehen die Wachskruste langsam auseinander und reißen in der Mitte der Kruste einen Spalt auf, aus dem ständig neues Wachs quillt. Das blubbernde Paraffin imitiert das Magma, das am Meeresgrund aus dem Erdinnern hervortritt. In extremer Verkleinerung können Bodenschatz und Brunner hier die Prozesse auf dem mittelozeanischen Rücken studieren: Wenn die Wachskruste um einen Zentimeter gewachsen ist, entspricht das am Boden des Atlantiks 250 Kilometern.

Mit dem Computer lassen sich die Vorgänge im Meer nicht simulieren. Ein Rechenmodell, das die Plattentektonik beschreiben sollte, muss nämlich vier Gebiete der Physik berücksichtigen: Die Fluiddynamik, welche die Bewegung von Flüssigkeiten beschreibt – eine mathematisch recht anspruchsvolle Disziplin. Ferner spielt die Elastizität eine Rolle. Auch hier geht es um Bewegungen: die Verformung eines Körpers und das Zurückschnellen in die ursprüngliche Gestalt. Hinzu kommt das Bruchverhalten des Gesteins – ebenfalls ein komplexes Phänomen; ein Bruch beginnt nämlich auf mikroskopischer Skala im Molekülgitter und setzt sich beim Mittelozeanischen Rücken bis zum globalen Maßstab fort. Die vierte Herausforderung ist schließlich die Verfestigung von Magma, ein Phänomen, das sich ebenfalls kaum fassen lässt.

Das Wachsmodell meistert die physikalischen Herausforderungen so gut, dass es sogar Details der Plattentektonik wiedergibt. So treten auch in der Wachskruste Transformstörungen auf. Dabei verschieben sich Abschnitte der Wachskruste senkrecht zum Spalt. Der Riss selber rückt dabei ein wenig nach links oder rechts. Eberhard Bodenschatz und Will Brunner möchten mit ihrem Wachsbad auch erklären, wie diese Transformstörungen entstehen.

Bei einem anderen Phänomen hat das Wachsmodell schon weitergeholfen: An ihm konnten die Physiker beobachten, wie sich vermutlich die Mikroplatten bilden, die Geologen am Meeresboden finden. Demnach könnten diese Gesteinsformationen, die wie versteinerte Eisschollen aussehen, an der Nahtstelle der Kontinentalplatten entstehen: Erst bröckeln kleine Fragmente der Kruste ab, beginnen zu rotieren und fangen dabei frisches Magma ein. Plötzlich werden sie fortgerissen und stranden mitten auf der Kontinentalplatte. Bodenschatz und Mitarbeiter beobachten dies auch im Wachsmodell.
Um noch mehr über die Plattentektonik zu lernen, verfeinert Brunner das Modell derzeit, indem er mehr über die Eigenheiten des Paraffins herauszufinden versucht. So will er etwa die Struktur und die Viskosität des Paraffins besser mit dem Vorbild aus flüssigem Stein am Meeresgrund abstimmen.

Eine ausführliche Version dieses Textes finden sie im Fokus der neuesten Ausgabe der MaxPlanckForschung. Unter dem Titel „Neuland Ozean“ berichten wir über Forschung rund um die Weltmeere. Darin geht es um Mikroorganismen, die im Bodenlosen des Meeresgrunds leben, ein Kimamodell, das den Einfluss von Plankton auf den Kohlendioxid-Haushalt besser berücksichtigt, die Plattentektonik und die Forschung zu Rechtsfragen im Schiffsverkehr. Der Essay „Intelligent Design – not the fittest“ beleuchtet unter der Rubrik „Zur Sache“ die Kritik an der Evolutionstheorie. Sie finden in dieser Ausgabe außerdem ein Porträt des Biologen Brian Hare, der das Forschungsgebiet der hominoiden Psychologie geschaffen hat. Unter dem Titel „Die weiteren Aussichten – extrem ungemütlich“ präsentieren wir Ergebnisse eines Klimakongresses, und „Ein Universum aus brodelnden Schleifen“ stellt die Theorie der Quantengravitation vor. In der Rubrik „Forschung & Gesellschaft“ lesen Sie unter dem Titel „Schuhe können nicht Nein sagen“, nach welchem Mechanismus wir Schuhe kaufen – und einen Partner wählen.

Dem Heft liegt der GEOMAX „Raffinierte Sandkastenspiele – was Forscher an die Küsten zieht“ sowie das Jahresregister 2005 bei.

MaxPlanckForschung erscheint viermal im Jahr. Das Wissenschaftsmagazin kann bei der Pressestelle der Max-Planck-Gesellschaft oder über unser Webformular abonniert werden. Der Bezug ist kostenfrei.

Originalveröffentlichung:

Richard F. Katz, Rolf Ragnarsson und Eberhard Bodenschatz
Tectonic Microplates in a Wax Model of Sea-Floor Spreading
New Journal of Physics, 1. Februar 2005