Omkerende convectierol: begrepen en bevestigd
Uit geofysisch onderzoek is bekend dat het magneetveld van de aarde met een onregelmatige periode van honderdduizenden jaren ompoolt. De oorzaak van die richtingsverandering van het veld moet liggen in de vloeibare buitenkern van de aarde, maar er bestaat geen afdoende verklaring voor. Theoretisch onderzoek aan turbulente convectie door onderzoekers bij de Universiteit Twente biedt nu mogelijk een model om zo'n omkering te begrijpen. Zij publiceren hierover in het vooraanstaande vakblad Physical Review Letters. Hun artikel werd op 18 augustus 2005 online geplaatst en verschijnt binnenkort in druk.
De onderzoekers - FOM-promovendus Francisco Fontenele Araujo Jr., Siegfried Grossmann (gastonderzoeker van de Universiteit van Marburg) en Detlef Lohse (Universiteit Twente) - bestudeerden het gedrag van een zogeheten convectierol in een afgesloten vat. Wanneer een gas of een vloeistof plaatselijk wordt verhit, stijgt die als een pluim of bel op. Het gas of de vloeistof in de pluim koelt met het opstijgen af, gaat dalen, wordt weer warmer, stijgt opnieuw op en zo ontstaat een zogeheten convectierol. Dat is uit de natuur bekend en in experimenten gezien. In het laboratorium werd echter ook waargenomen dat die rol soms plotseling tot stilstand kan komen en vervolgens van richting verandert. De onderzoekers in Twente hebben nu een wiskundig model in twee dimensies gemaakt waarin ze de relatie tussen de temperatuur in en buiten de pluim en het gedrag van de pluim hebben geanalyseerd. Wanneer de pluim snel omhoog beweegt, krijgt hij niet voldoende tijd om af te koelen. Het relatief warme medium wil wel dalen, maar dat lukt dan niet. Omdat het medium ook niet verder kan opstijgen, komt de convectierol tot stilstand en gaat zelfs de andere richting uit draaien. Een team van drie natuurkundigen van de Universiteit van Californië publiceert in dezelfde Physical Review Letters resultaten van een experiment die het model van de Twentse onderzoekers bevestigen. De omkering van een convectierol in een gesloten vat wordt dus bepaald door een toevallig extra snel opstijgende warme pluim. Dergelijk gedrag zou ook achter de omkering van het aardse magneetveld en de omkering van wind in de aardse dampkring kunnen zitten.
Bewegende beelden van het gedrag van dit soort pluimen, dat turbulente Rayleigh-Bénard-convectie wordt genoemd, zijn te vinden op de website van ex-FOM en ex-UT-postdoc Federico Toschi: http://www.iac.rm.cnr.it/~toschi/MyPage/gallery.html.