Spektrum der Wissenschaft - Oktober 2017

Mischungen, um Rückschlüsse auf die Strukturbildung

von Basaltsäulen zu ziehen.

Weil der Basalt von oben immer weiter nach unten

erkaltet, werden auch die Sprünge und Risse in die Tiefe

getrieben, und ein System wachsender Säulen entsteht.

Deren mittlerer Durchmesser hängt von den Temperatur-

unterschieden ab. Sie sind umso dicker, je langsamer

das Netzwerk der Spalten voranschreitet.

Schaut man sich die Querschnittsform der so ent-

standenen Säulen in weiter unten gelegenen Schichten

genauer an, so stellt man überrascht fest: Anders als zu

Beginn treten hier kaum noch rechte Winkel auf. Statt-

dessen zeigen sich wesentlich regelmäßigere Konfigura-

tionen mit vorwiegend hexagonalen Querschnitten – und

zwar in Experimenten mit Stärke ebenso wie im Basalt

(siehe Foto ganz rechts).

So ein Übergang zu regelmäßigen Sechsecken ist

theoretisch allerdings zu erwarten. Denn in der Natur

laufen selbsttätige Vorgänge stets so ab, dass dabei so

viel Energie an die Umgebung abgegeben wird wie unter

den gegebenen Umständen möglich (zweiter Hauptsatz

der Thermodynamik). Für die Aufspaltung des Materials

beim Säulenwachstum ist Energie nötig, und zwar umso

Ein Gehwegpflaster auf der Vulkaninsel La Palma (links) zeigt

die typische Rissstruktur der dort überall anzutreffenden

Basalt säulen. Ein getrocknetes Stärke­Wasser­Gemisch (rechts)

zerfällt in ähnlich geformte Bruchstücke.

OLGA_GAVRILOVA / GETTY IMAGES / ISTOCK

H. JOACHIM SCHLICHTING H. JOACHIM SCHLICHTING

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT, NACH BAHR, H.A. ET AL.: DIAMETER OF BASALT COLUMNS DERIVED FROM FRACTURE MECHANICS BIFURCATION ANALYSIS. IN: PHYS. REV. E79, 056103, 2009, FIG. 1

Nach unten hin zu­

sammenwachsende

Säulen bilden mit

der Zeit hexagonale

Querschnitte aus.

Einige der Vorgänge kann man in einem einfachen

Experiment nachvollziehen. Dazu lässt man in einem zy-

lindrischen Gefäß ein Stärke-Wasser-Gemisch allmählich

austrocknen, zum Beispiel unter einer Rotlichtlampe.

Bei einer eher dünnen Schicht erkennt man Analogien

zu Trockenrissen in einer Wasserpfütze, bei einer di-

ckeren hingegen bekommt man auch typische Effekte

der Säulenbildung zu sehen.

mehr, je größer die neu entstehenden Mantelflächen

ausfallen. Am ehesten formen sich deswegen Säulen mit

einer möglichst kleinen Oberfläche. Unter idealisierten

Bedingungen wäre das bei einer einzelnen kreisrunden

Säule der Fall; da unter realen Umständen gleichzeitig

die Grenzflächen des benachbarten Gesteins mit opti-

miert werden, läuft der Prozess auf eine hexagonale

Form hinaus. Dieselbe Strategie zur effizienten Einteilung

des Baumaterials beobachten wir bei den Wabenstruk-

turen in Bienennestern.

Wie sich der Wechsel von Vier- zu Sechsecken bei

Basalt im Einzelnen abspielt, ist Gegenstand aktueller

experimenteller und theoretischer Untersuchungen.

Dabei ist wiederum das Stärke-Wasser-Modell hilfreich.

An ihm konnten Forscher mit Hilfe von computertomo-

grafischen Aufnahmen zeigen, dass der Säulendurch-

messer mit zunehmender Tiefe lokal abrupt anwachsen

kann: Dann verschmelzen zwei oder drei Säulen mitei-

nander. Das führt zu einer gröberen, aber auch regel-

mäßigeren Aufteilung (siehe Bild ganz unten). Derartige

Übergänge beobachtet man auch an realem Basalt.

QUELLEN

Bahr, H.­A. et al.: Diameter of Basalt Columns Derived from

Fracture Mechanics Bifurcation Analysis. In: Physical Review E 79,

056103, 2009

Hofmann, M. et al.: Why Hexagonal Basalt Columns? In: Physical

Review Letters 115, 154301, 2015

Müller, G.: Trocknungsrisse in Stärke. In: Physikalische Blätter 10,

S. 35–37, 1999