Wie Wabenmuster in Salzwüsten entstehen

Weltweit kann man in Salzwüsten sogenannte Salzpolygone beobachten. Die Seiten dieser ein bis zwei Meter großen Vielecke - meist Sechsecke - werden von mehreren Zentimeter hohen schmalen Salzgraten gebildet. Bisher war nicht klar, wie es zu solchen Mustern kommt. Vermutet wurde etwa, dass durch die Austrocknung Risse in dieser Form entstehen oder die Salzkruste kontinuierlich wächst und dabei solche Muster formt. Das würde aber nicht erklären, warum die mehreckigen Formen trotz lokaler Unterschiede in Geologie, Salzchemie und Umweltbedingungen weltweit so ähnlich sind.

Jana Lasser vom Institute of Interactive Systems and Data Science der TU Graz hat gemeinsam mit Forscherinnen und Forschern aus Deutschland und England ein mathematisches Modell der Prozesse entwickelt, die zur Entstehung der wabenartigen Struktur führen. Zudem beobachteten sie in Laborexperimenten die Bewegung von salzhaltigem Wasser in sandigen Böden und führten Feldstudien im Death Valley und am Owens Lake durch.

All dies ergab ein konsistentes Bild: Der treibende Mechanismus für die Musterbildung ist die durch Konvektion ausgelöste Zirkulation von Wasser mit unterschiedlichem Salzgehalt im Boden unter der Salzkruste. Damit lässt sich nicht nur die Form, sondern auch die mehr oder weniger gleiche Größe der Waben und die Geschwindigkeit, mit der sie wachsen, erklären.

Dass in einer Wüste Wasserströmungen für die "Salzpolygone" verantwortlich sind, mag auf den ersten Blick überraschen. Doch dort, wo diese Strukturen entstehen, reicht salzhaltiges Grundwasser bis direkt unter die Salzkruste. Wenn das Wasser in der Hitze verdunstet, wird es direkt unter der Oberfläche salzhaltiger und damit schwerer als das darunterliegende, weniger salzhaltige Wasser. Ab einem bestimmten Punkt beginnt das salzigere Wasser in schmalen Bahnen nach unten zu sinken und frischeres Wasser steigt auf - ähnlich den Konvektionsströmen von warmem und kaltem Wasser in einem Kochtopf. Diese Konvektionswalzen reichen ein bis zwei Meter in die Tiefe, erklärte Lasser gegenüber der APA.

Indem sich mehrere solcher Strömungen bilden, werden diese quasi zusammengedrückt und ordnen sich wabenförmig an. Dabei strömt das weniger salzhaltige Wasser in der Mitte der Waben nach oben und das salzigere Wasser entlang der Grate nach unten. "Die Verdunstung zieht das frischere Wasser in der Mitte der Struktur kontinuierlich nach oben. Zunächst ist es noch nicht gesättigt und kann daher noch Salz lösen. Es strömt dann nach außen, und irgendwann ist das Salz so hoch konzentriert, dass es teilweise auskristallisiert und die Grate bildet", so Lasser.

Die Komplexitätsforscherin verweist auf einige musterbildende Phänomene in der Natur, "die ganz ähnliche dynamische Systeme zugrunde liegen haben". Als Beispiele nennt sie die Feenkreise in trockenen Graslandschaften etwa in Namibia, wo sich Verdunstung, Niederschlag und Vegetation gegenseitig beeinflussen würden, oder sechseckige Basaltsäulen wie der "Giant's Causeway" in Nordirland, die durch erkaltende Lava entstehen. Das Verständnis darüber, wie sich diese Muster bilden, könnte auch bei der Prognose helfen, wie viel Staub sich von den Oberflächen der Salzwüsten löst und in die Atmosphäre gelangt. Dieser Staub spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung von Wolken und beim Transport von Mineralien in die Ozeane.

(SERVICE - Internet - Link zur Publikation: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.011025; Die Forschungsgruppe hat in einem Video festgehalten, wie die "Salzpolygone" wachsen: http://go.apa.at/6KyJXevP)