Planetary Geology on Earth: Rippelmarken EarthCache
Planetary Geology on Earth: Rippelmarken
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(other)
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Planetary Geology on Earth: Rippelmarken
Bei ruhiger See fallen uns im Flachwasser am Schönberger Strand markante wellenartige Sandmuster auf, die als Rippel oder Rippelmarken bezeichnet werden. Sie treten nicht nur am Meeresboden, sondern auch in Flüssen und Wüsten auf. Für ihre Entstehung sind entweder Wasserströmungen (aquatische Rippel) oder Windströmungen (äolische Rippel) verantwortlich. Die Geschwindigkeit des strömenden Mediums muss hierbei knapp über der kritischen Geschwindigkeit liegen, dem Übergang von einer geordneten (laminaren) in eine wirbelnde (turbulente) Strömung und dem damit verbundenen Transport einzelner Sandkörner. Man unterscheidet zwei grundsätzliche Formen, die Strömungsrippel und die Oszillationsrippel.
Strömungsrippel im Wasser
An einem Hindernis im Sandboden, einem kleinen Stein, einer Muschel oder einer Sandanhäufung, lagern sich von der Strömung mitgerissene Sandkörner an. Der entstehende Hügel vergrößert sich stetig, ein sich selbst verstärkender Prozess kommt in Gang. Die Strömungsgeschwindigkeit an der Grenzfläche von Wasser und Sand nimmt weiter zu, einzelne Sandkörnchen werden auf der strömungszugewandten Seite auf die Spitze des Hügels transportiert. Auf der strömungsabgewandten Seite entsteht ein Unterdruck, es bildet sich ein kleiner Wirbel, der zu einer Vertiefung im Sand führt. Die Bewegungsrichtung des Wirbels ist in Bodennähe der Strömung entgegengesetzt, weitere Sandkörner werden auf der strömungsabgewandten Seite auf den Hügel hinauf transportiert.
Ab einer gewissen Höhe wird die Strömung an der Spitze des Hügels zu stark. Die einzelnen Sandkörnchen werden gleich wieder mitgerissen, der Hügel wächst nicht mehr weiter. Vielmehr werden die einzelnen Sandkörner in einem gewissen Abstand abgelagert und der Prozess der Rippelbildung beginnt an dieser Stelle erneut. Wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit nicht ändert, ist der Abstand zwischen den nach und nach entstehenden Rippeln annähernd konstant, ein großflächiges Sandmuster entsteht.
Strömungsrippel sind asymmetrisch, die Hangneigung auf der strömungszugewandten Luv-Seite ist geringer als auf der strömungsabgewandten Lee-Seite, an der sich der natürliche Böschungswinkel von ungefähr 30 bis 35 Grad einstellt.
Die Höhe von Sandrippeln im Wasser beträgt etwa drei bis fünf Zentimeter, ihr Abstand etwa 4 bis 60 Zentimeter. Eine Mindestwassertiefe von etwa dreifacher Rippelhöhe ist für ihre Entstehung erforderlich. Da die Rippelbildung von den Prozessen an der Grenzfläche zwischen Wasser und Sand bestimmt wird, behindert eine zunehmende Wassertiefe ihre Bildung nicht. Der maximale Sandkorndurchmesser für die Entstehung von Rippeln liegt bei etwa 0,7 Millimetern.
Oszillationsrippel am Strand
An einem flachen Strand oszilliert die Strömung durch Wellen und Gezeiten, sie kommt abwechselnd aus unterschiedlichen, im Idealfall entgegengesetzten Richtungen. Das Wasser bewegt sich über dem Sandboden hin und her, die Sandkörnchen werden abwechselnd von der einen und dann von der anderen Seite angelagert. Das Ergebnis dieser Oszillationsbewegungen sind Rippelmarken mit einem symmetrischen Querschnitt.
Rippelmarken, warum hier?
Wie bereits beschrieben ist die Bildung von Rippelmarken an eine nur wenig turbulente Strömung gebunden. Der Untergrund aus feinem Sand muss möglichst flach sein, ein zu steil abfallender Strand bewirkt eine zu rasche Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers.
Das Vorhandensein großer Küstenschutzbauwerke im Bereich des Schönberger Strandes begünstigt die Entstehung von ausgeprägten Rippelstrukturen in besonderem Maße. Die beidseitig der Seebrücke installierten, fast 100 Meter weit ins Meer reichenden steinernen Molen wirken als künstliche Wellenbrecher und bilden einen ausgedehnten, strömungsarmen Flachwasserbereich, der einer Bucht ähnelt. Viele Hektar Meeresboden sind deshalb von Rippelmustern überzogen.
Rippelmarken in der Wüste
Die Entstehung von Rippeln durch Windströmungen folgt prinzipiell denselben Gesetzmäßigkeiten wie im Wasser. Gewisse Unterschiede sind durch die verschiedenen Eigenschaften von Luft und Wasser zu erklären, Dichten und kinematische Viskositäten beider Medien unterscheiden sich deutlich.
Den wichtigsten Beitrag zum Sandtransport in Luft liefert die Saltation. Einzelne Sandkörnchen werden von kleinen Luftwirbeln zum Springen gebracht. Beim Aufprall auf der Sandoberfläche wird ihre Energie auf die umliegenden Sandkörner übertragen, diese springen ihrerseits hoch und folgen einer parabelförmigen Flugbahn, resultierend aus der Windrichtung und der Schwerkraft. Der Effekt wird als Splash bezeichnet, mehr und mehr Sandkörnchen werden aufgewirbelt. Einige träge Sandkörner bleiben nach dem Splash jedoch liegen und stoßen keine weiteren Sandkörnchen an. Nach und nach häufen sich kleine Sandkämme auf. Je höher sie werden, desto eher trägt der Wind die obersten Sandkörner wieder davon. Die Rippel werden nur wenige Zentimeter hoch.
Nachlassende Windgeschwindigkeiten verlangsamen den Sandtransport durch Reibungsverluste und kleine Sandansammlungen wachsen bei entsprechend großer Materialzufuhr in Selbstverstärkung zu Dünen. Diese Rippel im Großformat können viele Meter hoch werden. Die Hänge sehr großer Dünen sind oftmals wieder mit einem Rippelmuster überzogen.
Rippelmarken auf dem Mars
Die im Jahr 2004 auf unserem Nachbarplaneten gelandeten Mars-Rover "Spirit" und "Opportunity" haben während ihrer Missionsdauer phantastische Bilder äolischer Rippel und Dünen geliefert.
Die in den Gesteinen der Krater Eagle und Erebus vorhandenen rippelförmigen Strukturen mit einer Dicke von 8 bis 18 Millimetern sind Hinweise auf ein früheres Vorhandensein von Wasser auf dem Mars. Strukturen dieser Größe können sich nur unter Wasser und bei Strömungsgeschwindigkeiten von wenigen Dezimetern pro Sekunde bilden, die geringe Marsgravitation hat kaum einen Einfluss. Die entsprechenden Wasserströmungen entstanden durch wiederkehrende Überflutungen von Salztonen der Meridiani-Hochebene.
Der Mars-Rover "Curiosity" landete im August 2012 und machte bei seinen Ausflügen Entdeckungen, die auf eine besondere Physik des Sandtransportes auf dem Roten Planeten hinweisen. Im Gale-Krater untersuchte "Curiosity" interessante Rippelmarken mit einem Abstand von etwa drei Metern, markant gewundenen Kammlinien und kleineren Rippeln auf ihrem Rücken. Diese Strukturen haben auf der Erde keine Entsprechung und scheinen durch Windströmungen in der deutlich dünneren Marsatmosphäre entstanden zu sein.
Der Mars-Rover "Perseverance" wird im Februar 2021 auf dem Mars landen und viele weitere Erkenntnisse liefern. Und mit ihm wird Geocaching auch extraterrestrisch möglich sein, denn ein Travel Bug Dog Tag ist bei dieser spannenden Mission an Bord!
Begebt euch nun an die angegebenen Koordinaten, schaut euch die Rippelmarken am Schönberger Strand etwas genauer an und beantwortet mir ein paar Fragen. Nutzt dazu die Kontaktmöglichkeiten über mein Geocaching-Profil. Bei eventuellen Fehlern melde ich mich bei euch. Euren Vor-Ort-Besuch dürft ihr sofort loggen.
1) Lauft auf die Seebrücke und schätzt oder besser messt, in welcher Maximalentfernung vom Strand noch Rippelmarken auf dem Meeresboden zu sehen sind. Ist diese Entfernung eher groß oder eher klein? Warum ist dies so? Benennt zwei Gründe! Beachtet die Physik (Stichwort: Grenzflächenphänomen) und auch die besonderen Gegebenheiten vor Ort!
2) Schätzt oder besser messt die aktuelle Höhe und den Abstand der Rippelmarken am Schönberger Strand! Was denkt ihr, wodurch könnten sich die Höhe und/oder der Abstand der Rippel verändern? Handelt es sich um Strömungs- oder Oszillationsrippel? Begründet eure Meinung kurz!
3) Rippelmarken gibt es auch auf dem Mars! Gibt es Unterschiede zur Erde? Warum?
4) Fügt eurem Online-Log ein Vor-Ort-Foto von euch oder einem persönlichen Gegenstand als Anwesenheitsbeweis hinzu! Hierbei handelt es sich um eine Logbedingung gemäß den Earthcache-Guidelines vom 10.06.2019!
HINWEIS: Ich erwarte von euch eine Nachricht mit den Antworten und ein Vor-Ort-Foto im Log!
Und nun wünsche ich euch viel Spaß mit diesem Earthcache! 
Quellen (11.01.2021):
https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/wellenmuster
https://www.max-wissen.de/Fachwissen/show/5310?seite=1
https://de.wikipedia.org/wiki/Rippel
https://de.wikipedia.org/wiki/Wissenschaftliche_Ergebnisse_der_Mars_Exploration_Rover_Mission
https://mars.nasa.gov/resources/7879/two-sizes-of-ripples-on-surface-of-martian-sand-dune
https://mars.nasa.gov/resources/5878/opportunity-looks-back-after-hop-to-a-new-pad
https://www.pro-physik.de/restricted-files/85026
Bei den im Listing veröffentlichten Fotos vom Schönberger Strand handelt es sich um eigene Aufnahmen vom 26.12.2020.
Additional Hints
(No hints available.)