In dieser Ausgabe des Zirkulars wenden wir uns den Solitonen zu. Hierbei handelt es sich um eine besondere Erscheinung der Thermodynamik. Man versteht darunter ein Wellenpaket, welches sich ohne wesentliche Formänderung in seinem Medium fortpflanzt.

Ein Wellenpaket besteht im Allgemeinen nicht nur aus einer, sondern aus mehreren Frequenzen, die sich zu dem Erscheinungsbild eines Wellenpaketes überlagern. Im Medium ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit, z.B. die Schallgeschwindigkeit, frequenzabhängig, weshalb ein Wellenpaket während seiner Propagation auseinanderläuft. Weist das Medium jedoch nichtlineare Eigenschaften auf, bei denen schnellere Frequenzanteile in langsamere umgewandelt werden können und umgekehrt, so kann sich durch wechselseitiges Einholen der vorausgeeilten Teilwellen ein stabiler Gleichgewichtszustand ausbilden, bei dem das Wellenpaket über relativ lange Zeiträume und Distanzen erhalten bleibt.

Solitonen wurden erstmals von John Scott Russel im 19. Jahrhundert beobachtet und beschrieben. Er verfolgte zu Pferd über mehrere km eine 50 cm hohe, einzelne Welle auf einem Kanal in Schottland. Er nahm dieses Vorkommnis zum Anlass, weitere Nachforschungen mit Hilfe eines Wasserbeckens anzustellen.

Das Phänomen des Solitons beschränkt sich nicht nur auf Wellenpakete, sondern kann auf andere dynamische Strukturen, bei denen Nichtlinearitäten im Spiel sein können, beobachtet werden. Der Große Rote Fleck auf Jupiter beispielsweise wird seit mehreren Jahrhunderten beobachtet (möglicherweise ist dieses Phänomen erheblich älter); für einen Antizyklon ist dies eine beachtliche Langlebigkeit, für die bislang noch keine endgültige Erklärung gefunden wurde, zumal andere Stürme auf diesem Planeten erheblich kurzlebiger sind. Es gibt jedoch ein Modell, welches diese Erscheinung mit Hilfe eines Solitons erklärt und in der Fachwelt viel Beachtung findet.

Ähnlich verhält es sich mit dem Saturn - dort hatten die Voyager-Raumsonden am Nordpol ein Hexagon entdeckt; eine Struktur von Wolkenbändern, die eine sechseckige Form aufweist und auch auf neueren Aufnahmen des Nordpols, z.B. von der Raumsonde Cassini aus dem Jahre 2006, erneut zu sehen ist (s. auch SuW 6/14). Auch für dieses Phänomen wurde eine Erklärung auf Basis von Solitonen in die engere Wahl genommen.

Und auf der Erde?

Eine ganz ähnliche Erscheinung findet sich auch auf unserer Erde wieder: bei den Rossby-Wellen. Hierbei handelt es sich um eine stabile zirkumpolare, mäandrierende Luftströmung in den mittleren und subpolaren Breiten, die eine Wellenform aufweist. Der Luftstrom verläuft also mal mehr, mal weniger weit südlich. Auch die Rossby-Wellen basieren auf den Solitoneffekt.

Dem Phänomen der Rossby-Wellen verdanken wir die Siebenschläferregel: Eine Großwetterlage, die bei uns in Mitteleuropa Ende Juni/Anfang Juli vorherrscht, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit für längere Zeit, z.B. für den gesamten meteorologischen Sommer, anhalten. Während sich normalerweise die Rossby-Wellen fortlaufend verlagern, entsteht zu dieser Jahreszeit eine Situation, die dann bestehende Momentaufnahme stabilisiert. Je nach dem, an welcher Position der Welle wir in Mitteleuropa bei dieser Stabilisierung zu liegen kommen, gelangen wir entweder in eine Südwestströmung, die in erster Linie für sonniges Wetter sorgt, oder in eine Nordwestströmung, die eher für regenreiches Wetter bekannt ist.

<small><small>Morning Glory Clouds über Australien. Auch diese Wolkenerscheinung ist ein Soliton.
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Quelle der Bilder: Wikipedia.