E8 Sedimenttransport

Thema

Sedimenttransport ist die Bewegung fester Partikel – Sand, Kies, Schluff und Ton – durch Wasser oder Wind. Genau dieser Prozess prägt den größten Teil des Reliefs der Erde, sowohl in menschlichen als auch in geologischen Zeiträumen.

In Flüssen bewegt sich Sediment auf zwei unterschiedliche Arten: als Geschiebe, bestehend aus Partikeln, die über das Flussbett rollen oder hüpfen, und als Schwebstoff, bestehend aus Partikeln, die durch die Strömungsturbulenzen im Wasser gehalten werden. In beiden Fällen beginnt die Sedimentbewegung erst, wenn die von der Strömung auf das Flussbett ausgeübte Schubspannung einen kritischen Wert überschreitet, die sogenannte Shields-Spannung. Diese hängt sowohl von der Größe als auch von der Dichte der Sedimentkörner ab.

Das Shields-Kriterium besagt, dass diese Bewegung einsetzt, sobald eine dimensionslose Kennzahl, die für jedes Korn spezifisch ist, einen kritischen Wert von nur 0,47 für nicht-kohäsive, in Wasser eingetauchte Körner überschreitet.

Der Transport von Geschiebe folgt empirischen Beziehungen, wie beispielsweise denen von Meyer-Peter und Müller. Demnach skaliert der Sedimentfluss am Meeresboden mit der Überschussschubspannung, die die zuvor beschriebene kritische Shields-Spannung überschreitet.

Schwebstoffe hingegen folgen dem Rouse-Profil: Ihre Konzentration nimmt mit zunehmender Höhe über dem Meeresboden gemäß einem Potenzgesetz ab. Die Rouse-Zahl – das Verhältnis zwischen der Sinkgeschwindigkeit des Korns selbst und dem Produkt aus der von-Kármán-Konstante und der Reibungsgeschwindigkeit der Strömung – bestimmt, wie schnell diese Konzentration mit der Höhe abnimmt.

Der äolische Sandtransport ist in vielerlei Hinsicht analog zu diesem fluvialen Transport: Saltation ist sein dominierender Mechanismus. Dabei werden Körner durch den Aufprall anderer Körner in die Luft geschleudert und beschreiben ballistische Flugbahnen, bevor sie wieder zu Boden fallen. Die Mobilisierungsschwelle in trockenem Sand, wie sie auch bei der Winderosion beschrieben wird, wird bei Windgeschwindigkeiten zwischen fünf und sechs Metern pro Sekunde in einem Meter Höhe über dem Boden erreicht.

Dünen sind das Ablagerungsmuster, das dieser mobilisierte Sand schließlich bildet, in Längen von nur einem Meter bis zu tausend Metern. Die Transportkapazität dieses gesamten Systems liegt zwischen der dritten Potenz und der vierten Potenz der Fließreibungsgeschwindigkeit. Das bedeutet, dass es genau die energiereichsten, wenn auch seltenen Extremereignisse sind, die langfristig den Sedimenthaushalt eines jeden Flusses oder Dünenfeldes bestimmen. Von den festen Partikeln, mit denen dieses Dokument beginnt, bis zu den Extremereignissen, mit denen es endet, über die kritische Spannung nach Shields, das Rouse-Profil und die Windmobilisierungsschwelle hinweg, bedeutet Sedimenttransport, dass die Landschaft, die wir heute sehen, im Wesentlichen der akkumulierte Abdruck unzähliger Körner ist, die eines Tages ihre eigene Bewegungsschwelle überschritten haben.

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