Physik: Der ideale Tropfstein

US-Forscher ließen Stalaktiten virtuell im Computer wachsen und kamen so deren Struktur auf die Spur

Während am Boden wachsende Stalagmiten und Kalksteinsäulen bizarre und äußerst vielfältige Formen annehmen, neigen die von der Decke herabhängenden Stalaktiten überwiegend zu einer einzigen, schlichten Gestalt. Sie sind schlank und konisch und unterscheiden sich nur in Länge und Durchmesser voneinander. Wissenschaftler von der University of Arizona in Tucson suchten nach der mathematischen Formel für den idealen Stalaktiten und benutzten dazu das komplexe Zusammenspiel von Hydrodynamik des Tropfwassers, Mineralchemie und Kohlendioxidtransport in der Höhle.

Chemisch sind Tropfsteine leicht zu erklären. Mit Kohlendioxid aus der Luft und Kalziumkarbonat aus dem Kalkstein angereichertes Wasser sickert durch Spalten in die Höhle. Weil dort der Partialdruck des Kohlendioxids geringer ist als im darüber lagernden Gestein, perlt CO2 aus dem Tropfwasser aus. Dadurch kommt es zu einer Übersättigung mit Kalziumkarbonat, das daraufhin ausgefällt und an der Höhlendecke als so genannter Sinter-Kalk abgelagert wird.

Zunächst bildet sich nur ein Ring um den Wassertropfen, dann ein feines Sinterröhrchen, aus dem schließlich der Stalaktit erwächst. Physikalisch betrachtet, so fanden Raymond Goldstein und seine Kollegen nun her-aus, ist das Wachstum eines Stalaktiten dagegen abhängig von seinem Durchmesser, der Dicke des über seine Oberfläche fließenden Flüssigkeitsfilms sowie von seiner Krümmung: Je dicker etwa der Flüssigkeitsfilm auf dem Tropfstein, desto mehr Kalk scheidet sich auf dessen Oberfläche ab. Diese Erkenntnisse setzten die US-amerikanischen Forscher in mathematische Formeln um. Der Computer errechnete daraus das zeitliche Wachstum virtueller Stalaktiten, die einander in ihrer endgültigen Form alle ähnelten - obwohl der Rechner von unterschiedlichen Ausgangsformenausgegangen war.

So seien typische Stalaktiten entstanden, mit einem Durchmesser von zwei bis 20 Zentimetern und einer Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsfilms von deutlich unter 100 Kubikzentimetern in der Stunde - das ist weniger als eine Tasse Wasser. Schließlich überprüften die Wissenschaftler ihre virtuellen Tropfsteine mit Fotos natürlich gewachsener Stalaktiten aus den Kartchner-Höhlen in Arizona. Mit Erfolg: Die Abweichung zwischen Original und Computer-Kopie ist minimal. Als Nächstes wollen sich die Tropfstein-Experten an exotischeren Formen versuchen - indem sie etwa das Wachstum ganzer "Sintervorhänge" simulieren.

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