Pistoolgarnalen knallen met knappende luchtbellen
De indrukwekkende knallen die een pistoolgarnaal onder water maakt, worden veroorzaakt door gasbellen die imploderen. Zo'n bel ontstaat als de garnaal met grote snelheid zijn schaar sluit. Dat hebben onderzoekers van de Universiteit Twente, de Stichting FOM en de Universiteit München ontdekt. Het resultaat is verrassend, want tot nu toe werd altijd gedacht dat het geluid ontstaat als de helften van de schaar op elkaar klappen. De natuurkundigen Detlef Lohse, Anna von der Heydt en Michel Versluis, werkzaam aan de UT, en biologe Barbara Schmitz van de Universiteit van München, publiceren hun bevindingen op 22 september in het Amerikaanse weekblad Science.
De pistoolgarnaal, de Alpheus heterochaelis, die in tropische wateren voorkomt, communiceert met luide knallen. Ook kan het beestje, dat zo'n 5,5 centimeter groot is, met deze knallen een prooi verdoven of zelfs doden. De pistoolgarnaal heeft daarvoor een schaar die tot drie centimeter groot kan zijn, en die hij met grote snelheid kan sluiten dankzij een soort trekhaakmechanisme. In minder dan 300 microseconden klapt de schaar dicht. Het frequentiebereik van de knallen is heel breed en loopt van enkele tientallen hertz tot meer dan 200 kilohertz. Het geluid is op grote afstand te horen en zelfs de sonar van een onderzeeër kan er hinder van ondervinden.
Luchtbellen
Tot nu toe is altijd aangenomen dat het geluid wordt geproduceerd als de schaarhelften op elkaar klappen. De nieuwe bevindingen laten echter iets anders zien. Door de razendsnelle sluitbeweging van de schaar wordt het water dat zich in de ruimte tussen de schaarhelften bevindt met wel 30 meter per seconde (ruim 100 km per uur) weggespoten. Deze hoge snelheid leidt tot 'cavitatie'. De druk zakt ter plekke onder de dampdruk van water en er vormt zich een bel. Die groeit aanvankelijk, maar als de druk weer stijgt klapt hij in elkaar. Dat geeft de knal, zo blijkt uit het onderzoek dat deze week in Science staat.
Als de pistoolgarnaal zijn grote schaar dichtklapt, ontstaat er een luchtbelletje dat korte tijd later in elkaar klapt.
Om het verschijnsel te kunnen verklaren heeft experimenteel fysicus Michel Versluis opnamen gemaakt van het sluiten van de schaar, met een digitale hogesnelheidscamera die elke 25 microseconden een beeld opneemt. Simultaan heeft hij geluidsspectra gemeten als functie van de tijd. Daardoor is te zien dat op het moment van sluiten van de schaar geen geluid wordt gemeten. Pas als de gasbel implodeert, wordt een scherpe piek gemeten. De knal is volgens Versluis goed te modelleren; de waarnemingen kloppen zeer goed met de modelberekeningen. Afmeting en vorm van de schaar, de gebruikte spierkracht en snelheid van dichtklappen blijken allemaal een rol te spelen bij het geluidssignaal dat ontstaat.
Een pistoolgarnaal in een aquarium in het laboratorium, voorzien van een elektrode om het moment van dichtklappen van de schaar en het imploderen van de ontstane te registreren.
Met een zeer snelle videocamera (10.000 beeldjes per seconde) werd opgenomen hoe een pistoolgarnaal zijn grote schaar dichtklapt en er een luchtbel ontstaat die korte tijd later in elkaar klapt, waardoor een harde knal ontstaat. Bij 1 begint de grafiek uit de volgende figuur, bij 2 is de schaar dichtgeklapt en bij 3 ontstaat het geluidssignaal.
Een geluidsspectrum van een pistoolgarnaal in een aquarium in het laboratorium. Bij 2 is de schaar dichtgeklapt en bij 3 volgt het geluidssignaal. Dat is verder naar rechts breed en onregelmatig door echo's in het aquarium.
Toeval
De onderzoeksvraag ontstond bij toeval toen biologe Barbara Schmitz, die veel onderzoek doet naar mariene schaaldieren, in München een presentatie bijwoonde van prof. Detlef Lohse, hoogleraar Vloeistoffysica aan de Universiteit Twente. Die ging over een heel ander onderwerp dan biologie en schaaldieren; Lohse sprak over 'sonoluminescentie', het verschijnsel dat imploderende gasbellen licht gaan uitzenden. Omdat Schmitz in videobeelden van een pistoolgarnaal wel eens een bel had waargenomen, vroeg zij Lohse ernaar. "Toen ik het geluidsspectrum zag, dacht ik: dit moet van de bel afkomstig zijn," aldus Lohse. Hij diende een voorstel in bij FOM om onderzoek ernaar te financieren, en Lohse kreeg gelijk in zijn vermoeden.
Licht
Lohse's vakgroep aan de faculteit Technische Natuurkunde van de Universiteit Twente doet al geruime tijd onderzoek naar het gedrag van bellen in vloeistof. Het verschijnsel cavitatie, dat ten grondslag ligt aan de knallen van de pistoolgarnaal, is bijvoorbeeld ook bekend uit de scheepvaartwereld. Imploderende gasbellen die ontstaan bij sneldraaiende scheepsschroeven, kunnen veel schade aanrichten. Internationale bekendheid kreeg Lohse daarnaast door zijn onderzoek naar sonoluminescentie, waarin een bel onder invloed van akoestische energie, plaatselijk zeer heet wordt en zelfs licht gaat geven.
In een gebied waar pistoolgarnalen leven, zijn ze op onderwateropnamen voortdurend te horen, zoals uit dit geluidsfragment blijkt (met dank aan het Monterey Bay Aquarium Research Institute en Sonatech, Inc.). Het fragment is te beluisteren met Windows Media Player of Quicktime.
Meer informatie: dr. Michel Versluis, telefoon (053) 489 80 77 of prof.dr. Detlef Lohse, telefoon (053) 489 80 76.