Experimentelle Untersuchung von Staubteufeln in einem Laborexperiment
Authors: Kästner Christian , du Puits Ronald 
Published: December 2021

&lt;p&gt;Durch bodennahe Erw&amp;#228;rmung der Luft bei starker Sonneneinstrahlung k&amp;#246;nnen sich aufsteigende Luftwirbel mit vertikaler Rotationsachse bilden, sogenannte Staubteufel. Die Struktur eines solchen Staubteufels wird dominiert von einem horizontalen Zufluss nahe der Erdoberfl&amp;#228;che und einer vertikalen Aufw&amp;#228;rtsstr&amp;#246;mung des Wirbels. Da die Staubteufel auf trockenem Untergrund entstehen, ist der im Zustrom mitgetragene Staub urs&amp;#228;chlich f&amp;#252;r ihr Erscheinungsbild. Die Mechanismen ihrer Entstehung sowie ihre charakteristischen Eigenschaften sind bis heute kaum im Detail erforscht, da experimentelle Untersuchungen auf in-situ Messungen in der Atmosph&amp;#228;re beschr&amp;#228;nkt sind. Aufgrund der Nichtvorhersagbarkeit solch seltener Ereignisse sind Felduntersuchungen nur schwer m&amp;#246;glich.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Mithilfe von Laborexperimenten k&amp;#246;nnen Staubteufel jedoch gezielt erzeugt und ihre Entstehungsmechanismen untersucht werden. Hierf&amp;#252;r wird die Versuchsanlage &amp;#8222;Ilmenauer Fass&amp;#8220; verwendet, die im Wesentlichen aus einem luftgef&amp;#252;llten, zylindrischen Tank mit einem Innendurchmesser von 7,15 m und einer H&amp;#246;he von 8 m besteht. Am Boden des Beh&amp;#228;lters befindet sich eine Heizplatte, deren Temperatur zwischen 20&amp;#176;C und 80&amp;#176;C variiert werden kann. Eine zweite freischwebende K&amp;#252;hlplatte kann in einer beliebigen H&amp;#246;he zwischen 0,2 m und 6,3 m positioniert und in einem Temperaturbereich von 10&amp;#176;C bis 30&amp;#176;C geregelt werden. Die Seitenwand des Zylinders ist adiabatisch. Mithilfe dieses Rayleigh-B&amp;#233;nard-Experiments lassen sich die Randbedingungen in einer konvektiven, atmosph&amp;#228;rischen Grenzschicht gut nachbilden und die Entstehung von Wirbelstrukturen unter kontrollierten Bedingungen detailliert untersuchen. Hierf&amp;#252;r wurde das optische Messverfahren Particle Tracking Velocimetry (PTV) genutzt, mit dem das dreidimensionale Str&amp;#246;mungsfeld innerhalb und au&amp;#223;erhalb solcher Wirbel erfasst werden kann. Dabei werden der Str&amp;#246;mung dichteneutrale Seifenblasen zugef&amp;#252;hrt und mit vier Kameras aus unterschiedlichen Positionen zeitaufgel&amp;#246;st detektiert. &amp;#220;ber Triangulation werden die 3D-Trajektorien der einzelnen Partikel im Raum berechnet.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;W&amp;#228;hrend bei der letzten Tagung noch das Messverfahren vorgestellt wurde, k&amp;#246;nnen nun die ersten Ergebnisse pr&amp;#228;sentiert werden. In Messreihen &amp;#252;ber mehr als insgesamt 20 Stunden wurden gro&amp;#223;e Datenmengen gesammelt und vertikale Wirbelstrukturen identifiziert. Wie in numerischen Simulationen gezeigt werden konnte, nimmt die H&amp;#228;ufigkeit solcher Strukturen mit zunehmender Gr&amp;#246;&amp;#223;e stark ab. Deshalb wurde alternativ in der Mitte der Bodenplatte eine Heizmatte installiert, mit der eine lokale Temperatur&amp;#252;berh&amp;#246;hung bis 10 K &amp;#252;ber der Temperatur der Heizplatte realisiert werden kann. Mit dieser Modifikation des Laborexperiments kann nun auch die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Staubteufeln erh&amp;#246;ht werden.&lt;/p&gt;