ALBERT

Description: The ‘law of the wall’ for the inner part of a turbulent shear flow over a solid surface is one of the cornerstones of fluid dynamics, and one of the very few pieces of turbulence theory whose results include a simple analytic function for the mean velocity distribution, the logarithmic law. Various aspects of the law have recently been questioned, and this paper is a summary of the present position. Although the law of the wall for velocity has apparently been confirmed by experiment well outside its original range, the law of the wall for temperature seems to apply only to very simple flows. Since the two laws are derived by closely analogous arguments this throws suspicion on the law of the wall for velocity. Analysis of simulation data, for all the Reynolds stresses including the shear stress, shows that law-of-the-wall scaling fails spectacularly in the viscous wall region, even when the logarithmic law is relatively well behaved. Virtually all turbulence models are calibrated to reproduce the law of the wall in simple flows, and we discuss whether, in practice or in principle, their range of validity is larger than that of the law of the wall itself: the present answer is that it is not; so that when the law of the wall (or the mixing-length formula) fails, current Reynolds-averaged turbulence models are likely to fail too.

Description: Dates of Cruise: 18.7.96 - 4.8.96. General Subject of Research: Sampling of active volcanism on the middle Kolbeinsey Ridge and the Eggvin Bank. Port Calls: Kiel, Reykjavik.

Description: Scientists have long attempted to explain why closely similar age patterns of death are characteristic of highly diverse human and nonhuman populations. Historical efforts to identify a general "law of mortality" from these patterns that applied across species ended in 1935 when it was declared that such a law did not exist. These early efforts were conducted using mortality curves based on all causes of death. The authors predict that if comparisons of mortality are based instead on "intrinsic" causes of death (i.e., deaths that reflect the basic biology of the organism), then age patterns of mortality consistent with the historical concept of a law might be revealed. Using data on laboratory animals and humans, they demonstrate that age patterns of intrinsic mortality overlap when graphed on a biologically comparable time scale. These results are consistent with the existence of a law of mortality following sexual maturity, as originally asserted by Benjamin Gompertz and Raymond Pearl. The societal, medical, and research implications of such a law are discussed.

Description: Im folgenden wird der Zwischenbericht für das erste Jahr (1996) der vierten Förderperiode des deutschen Beitrages zum internationalen World Ocean Circulation Experiment (WOGE) vorgelegt. Die Forschungsarbeiten werden über einen Auftrag an das Alfred-Wegener-lnstitut für Polar- und Meeresforschung (AWI) durch das Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBW) gefördert. Im Forschungsverbund sind neben dem AWI acht Unterauftragnehmer und zwar die Universitäten, Bonn, Bremen, Hamburg, Heidelberg, Kiel, München, und Stuttgart sowie das Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg beteiligt. Außerdem arbeitet das Bundesamt für Seeschiffahrt und Hydrographie (BSH), Hamburg an dem Vorhaben mit. Die Untersuchungen gliedern sich thematisch und organisatorisch in 21 wissenschaftliche Teilprojekte (davon 2 am BSH), die durch das nationale WOCE-Komitee beraten und durch das AWI koordiniert und administrativ in enger Kooperation mit dem Projektträger "Biologie, Energie, Ökologie (BEO)", Warnemünde betreut werden. Die wissenschaftliche Abstimmung zwischen den Teilprojekten obliegt dem WOCE-Komitee, das mindestens einmal jährlich - bei Bedarf auch häufiger - zusammentritt und gegebenenfalls Werkstattgespräche oder Besprechungen zu speziellen Themen veranlaßt. Umfassende Informationen über den Stand und den Fortgang der Arbeiten bieten die ebenfalls einmal jährlich stattfindenden Statusseminare.

Description: Das Normal-Null (NN), bei Höhenangaben am Wegesrand als „Höhe über NN" mehr oder weniger bekannt, eröffnet zahlreiche Fragen: Was ist ein Normal-Null? Was bedeutet eine Höhenangabe über Normal-Null? Die Beantwortung dieser Fragen hat den Berufsstand der Geodäten mit dem Fachgebiet Geodäsie mitgeprägt. (yeco8mcmx: Teilung der Erde, historische Bezüge in Aristoteles: Metaphysik, Buch 2, 997 b, 26, 31). Die geodätische Höhenbezugsfläche als Normal-Null entstammt einem Vorschlag von C. F. Gauß (1828), im Detail ausgearbeitet von seinem Schüler J. B. Usting (1873, Göttinger Schule): Der mittlere Meeresspiegel ist das Normal-Null, genannt Geoid, physikalisch eine Äquipotentialfläche des Schwerepotentials zu einem Referenzzeitpunkt. Denken wir uns den mittleren Meeresspiegel, beispielsweise über einen Kanal, fortgesetzt „unter die feste Erde", so erhalten wir die Fläche des Normal-Null, auf welche sich lokale Höhenangaben beziehen. Neben der Höhenbezugsfläche Geoid ist auch die Höhenangabe eines Punktes auf der Erdoberfläche physikalisch, nämlich im Sinne dynamischer Höhen als gravitative Spannung gegen Erde, als Unterschied des Schwerepotentials W - W0 gegenüber dem geoidalen Potentialwert W0 definiert. Konkret sind metrische Höhenangaben im Sinne des obigen Beispiels „orthometrisch", das heißt sie geben die „Länge der Lotlinie" von einem Punkt der Erdoberfläche zu einem Projektionspunkt „unterhalb" auf dem Geoid an. Genauer gesagt bestimmt die Länge der geodätischen Linie zwischen Oberflächenpunkt und Geoid die geodätische Höhe eines Punktes, namentlich gerechnet mit einer konform-flachen Metrik und dem halbierten Quadrat des Schwerevektors als Konformfaktor. Der Gradient in einem derartig physikalisch definierten Höhensystem gibt an, „wohin das Wasser fließt". So ist eine topographische Situation vorstellbar, in der Wasser einen geometrischen Berg „hinauffließt".

Description: Die kontinuierliche Aktivität basaltischer Vulkane an vielen Stellen der Erde produziert den Haupteil der globalen vulkanischen Masseneruptionsrate. Bei diesen Eruptionen bildet Magma mit der entmischten Gasphase eine homogene Zweiphasenströmung, wenn die Volatilsättigungstiefe relativ gering und die Aufstiegsrate des Magmas höher als die Beweglichkeit der Gasblasen ist. In niedrigviskosem Magma (μ 〈 500 Pa s) hingegen bewirkt die Beweglichkeit der Gasblasen eine separate Zweiphasen-Strömung, insbesondere wenn die Entgasung bereits in großer Tiefe beginnt (z.B. C02). Gasblasen können am Dach einer oberflächennahen Magmakammer akkumulieren und eine gasgetriebene Eruption auslösen, vorausgesetzt daß die Rate der Gasanreicherung den Verlust durch stille Entgasung ins Nebengestein übersteigt. Die Massenbilanz von extrudierter Lava zu Gasemission wird bei solchen gasgetriebenen Eruptionen vollständig vom Volatilenbudget des austretenden Magmas entkoppelt. Gaseruptionsraten werden nicht mehr durch Rekonstruktion des präeruptiven Volatilengehalts bilanzierbar. Stattdessen reguliert die Mischungskapazität der Zweiphasenströmung im Schlot dann die Massenbilanz. In der vorliegenden Arbeit wurden theoretische Strömungsmodelle für den separaten Gas-Magma Aufstieg entwickelt und das typische Eruptionsverhalten beschrieben. In skalierten Experimenten wurden die theoretischen Modelle bestätigt. Eine neue strömungsdynamisch fundierte Unterteilung basaltischer Eruptionstypen in • sporadisch pulsierende Fontäneneruption, • periodisch pulsierende Fontäneneruption und • stationäre Fontäneneruption wird statt der bisherigen Unterteilung in Strombolianische Explosionen und Hawaiianische Lavafontänen vorgeschlagen. Typisch für den Stromboli ist die sporadisch pulsierende Fontäneneruption, verursacht durch diskrete Großblasen (Slugs), die durch Verdampfung externen Wassers gebildet werden. Bei periodisch pulsierenden Fontäneneruptionen bricht die kontinuierliche Gaszufuhr in eine Zweiphasenströmung mit periodischen Folgen von Großblasen und Magma auf (Slug-Flow-Regime). Oberflächennahe, pulsierende Stösse magmatischer Fragmentierung in kurzen, regelmäßigen Zeitabständen resultieren aus dem periodischen Kollaps der Slugblasen. Steigerung der Gasfreisetzungsrate führt mit kontinuierlichem Übergang zur stationären Fontäneneruption mit annularem Strömungsregime im Schlot. Das Magma wird im Schlot zu Partikeln fragmentiert, die von der kontinuierlichen Gasphase mitgeführt werden. Der Strömungswiderstand der Zweiphasen-strömung wirkt an Stelle des lithostatischen Druckgradienten auf die Magmakammer. Der Druckgradient sinkt auf 1/3 des lithostatischen Wertes. Volatil-Übersättigung und beschleunigte Entgasung sind die Folge. Die Eruption endet abrupt, sobald die Gaszufuhr zur Aufrechterhaltung des Strömungsregimes nicht mehr ausreicht. Bildet die separate Gasphase eine ausgedehnte Gastasche in der Magmakammer, und überschreitet der sich entwickelnde Auftriebsdruck die Bruchfestigkeit des Vulkangebäudes, kollabiert die Gastasche in das sich öffnende Spaltensystem. Es entwickelt sich ein Supplied Slug, eine Riesenblase, die ständig von einem Gasstrom aus der Tiefe gespeist wird. Der Blasenkopf erreicht im offenen Schlot um eine Größenordnung höhere Geschwindigkeiten als bei fehlender Gaszufuhr (Unsupplied Slug). Die auflastende Magmasäule wird effusiv in der Art eines Kolbens ausgestossen. Öffnet sich die Blase, entwickelt sich ein annulares Strömungsregime mit stationärer Fontäneneruption. Dieser Vorgang wird als Auslöser der Pu'u O'o Eruptionsserie am Kilauea angesehen. Experimente mit kontinuierlicher Gaszufuhr zeigen eine Abhängigkeit der eruptiven Massenbilanz vom Strömungsregime, der Viskosität des Magmas, dem Mischungsgrad zwischen beiden Phasen, aber auch sehr stark von der Reibung im Schlotsystem. Im Slug-Flow-Regime wird das Magma durch die Blasenbewegung und das Längenwachstum der Slugblasen transportiert. Das Massenverhältnis von Flüssigkeit zu Gas sinkt mit steigender Viskosität. Die Experimente zeigen deutlich, daß die zylindrische Struktur der Slugblase und die Entwicklung eines runden, zentralen Strömungskanals weitgehend unabhängig von der äußeren Geometrie sind. Die Transportkapazität der Gasströmung begrenzt die Magmaförderrate im annularen Strömungsregime, so daß das Massenverhältnis von Partikeln zu Gas auf 50 〈 k 〈 80 eingegrenzt wird. In den Experimenten war k zusätzlich von der Reibung im magmatischen Fördersystem abhängig. Die Viskosität erhöht die Reibung und verringert k. Alle Experimente weisen daraufhin, daß vulkanischer Tremor durch Druckschwingungen entsteht, die aus Blasenbildungsprozessen herrühren, und das Frequenzspektrum des Tremors in typischer Weise mit dem Strömungsregime variiert. Slug-Flow erzeugt ein stark verrauschtes Signal, das in periodischen Abständen von den steilen Transienten der Slugbildung unterbrochen wird. Annulares Strömungsregime induziert eine Schlotresonanz mit starker Fluktuation der Resonanzfrequenz durch die turbulenten Schwankungen des Mischungsverhältnisses. Beim Aufstieg diskreter Slugblasen entwickelten sich in den Experimenten tieffrequente Druckschwingungen (〈 1 Hz). Wird die Blase als impulsangeregte Gasfeder aufgefaßt, die mit der Magmaauflast zum Schwingen angeregt wird, läßt sich ein quantitativer Zusammenhang zwischen der experimentellen Druckoszillation und Breitbandaufzeichnungen des natürlichen Tremors am Stromboli Vulkan finden. Drastische Druckverringerung in der Magmasäule während der negativen Amplitude der Schwingung führt zur oberflächennahen Freisetzung von Volatilen und so zu den sporadisch pulsierenden Fontäneneruptionen des Stromboli. Magmatransport auf der Grenzfläche der aufsteigender Blasen induziert starke, vertikale Konvektion im Schlot und sättigt die anstehende Magmasäule langfristig mit Volatilen. Erstmalig wurde die Radar-Doppler-Technik für in situ Geschwindigkeitsmessungen vulkanischer Ejekta von uns am Stromboli eingesetzt. Die neue Technik erwies sich als gut geeignet für den Aufbau eines Meßsystems zur dreidimensionalen, zeitlich und ortsaufgelösten Geschwindigkeitsanalyse der Eruptionsfontäne. In Kombination mit seismischen Messungen ist dies ein wesentlicher Schritt zu einem besseren Verständnis des Eruptionsdynamik.