Über dem Golf von Carpentaria im Norden Australiens entsteht regelmäßig eine "Morning Glory" genannte spektakuläre Wolkenformation. Diese "rollende Wolke", die fallweise auch in anderen Weltregionen zu sehen ist, kann hunderte Kilometer lang sein, hat dabei aber nur einen Durchmesser von ein bis zwei Kilometer. Ein Wiener Mathematiker hat nun diese Wolkenwalze als nichtlineare Welle in der Atmosphäre im Fachjournal "Proceedings A" der Royal Society mathematisch beschrieben.
Die "Morning Glory"-Wolken sind vor allem im Golf von Carpentaria am frühen Morgen im September und Oktober zu sehen, schreiben Adrian Constantin vom Institut für Mathematik der Universität Wien und Robin Stanley Johnson von der Newcastle University in ihrer Arbeit. Die riesige, flache Meeresbucht geht im Norden in die Arafurasee über, der Meerenge zwischen Australien und Neuguinea, im Osten ist sie von der großen Kap-York-Halbinsel begrenzt. Die ganz besondere thermische Struktur der unteren Atmosphäre über dem Land und dem Meer führt zu dieser speziellen Wolkenformation.
Surfen auf der Wolkenrolle
Oft handelt es sich um ein einzelne lang gestreckte Wolke, an deren Front starke Aufwinde aufsteigen und an deren Hinterseite die Luft absinkt. So wirkt es, als ob die mit einer Geschwindigkeit von zehn bis 20 Metern pro Sekunde dahinziehende Wolkenwalze rotieren würden. Die speziellen Windbedingungen machen die "Morning Glory" bei Segel- und Drachenflieger beliebt, die sie zum "Wolkensurfen" nutzen. Manchmal treten auch mehrere solcher Wolkenrollen in geringem Abstand parallel hintereinander auf.
"Ich finde diese Wolkenformation sehr schön - eigentlich faszinierend", erklärte Adrian Constantin vom Institut für Mathematik der Universität Wien gegenüber der APA. Der Mathematiker, der 2020 mit dem Wittgensteinpreis den höchstdotierten österreichischen Wissenschaftsförderpreis erhalten hat und immer wieder in der Liste der meistzitierten Forscher der Welt aufscheint, widmet sich in seiner Arbeit schwerpunktmäßig der Mathematik der Wellenausbreitung und der Erklärung von Wellenphänomenen - und ein solches ist auch die "Morning Glory".
Wellengleichung mit "asymptotischem Verfahren"
Die bisherigen Untersuchungen der Wolkenformation würden auf Analogien mit der Theorie von Wasserwellen beruhen, betonte Constantin. "Doch das Verhalten von Luft und Wasser weist viele Unterschiede auf, etwa was den Einfluss von Temperatur und die raschen Dichte- und Druckänderungen betrifft", sagte der Mathematiker. Aus diesem Grund hat der Mathematiker mit seinem britischen Kollegen mit einem sogenannten "asymptotischen Verfahren" eine nichtlineare Wellengleichung für die "Morning Glory" aus den Regelgleichungen für atmosphärische Strömungen abgeleitet.
Auch wenn das Phänomen der "Morning Glory" auf einer komplizierten Abfolge von Prozessen fußt, können die Forscher nun mathematisch die Temperatur- und Druckbedingungen sowie die Wärmequellen beschreiben, die zum Antrieb und zur Aufrechterhaltung der Wolkenbewegung erforderlich sind. Für Constantin ist es dennoch erst "ein erster Schritt, es bleibt noch viel zu tun, denn die Dynamik der Wolkenformation ist kompliziert".
Er ist überzeugt, dass auch viele andere Wetterphänomene gibt, "bei denen eine genauere mathematische Untersuchung viel über die Art der dabei auftretenden Wechselwirkungen klären könnte". Probleme dieser Art seien aber typischerweise sehr anspruchsvoll - besonders da oft ein nichtlineares Verhalten stattfindet, also die Wirkungen nicht proportionell zu den Ursachen sind.
Service: https://doi.org/10.1098/rspa.2021.0895; Video mit "Morning Glory Wolke": http://go.apa.at/wvg76pcv; Luftaufnahme mit "Morning Glory Wolke": http://go.apa.at/x2XJyyGK
(APA/red, Foto: APA/Wikimedia Commons/Mick Petroff)
