Prestaties van een Iraanse onderzoeker in Duitsland op het gebied van marinebiologie

Professor Arjang Khalili werkt aan het Max Planck Instituut in Bremen aan onderzoek op het gebied van vloeistofdynamica met toepassingen in oceanische biologie. Hij heeft nieuwe doorbraken bereikt op het gebied van het oplossen van de Stokes-paradox.

Claude-Louis Navier en Sir George Gabriel Stokes stelden in het begin van de negentiende eeuw onafhankelijk van elkaar zeer belangrijke vergelijkingen op waarmee het snelheidsveld en drukkveld als gevolg van de beweging van vloeistof- en gasdeeltjes (fluïda) kan worden berekend. Tegenwoordig hebben deze vergelijkingen veel toepassingen in de ingenieurswetenschappen en natuurwetenschappen.

Gabriel Stokes slaagde er in 1851 in een vereenvoudigde vergelijking in te dienen voor het beschrijven van de zeer trage beweging van vloeistofdeeltjes. Stokes kon door middel van deze vergelijking de weerstandscoëfficiënt van bolvormige objecten berekenen die in een bewegende vloeistof bewegen, maar kon de weerstandscoëfficiënt van cilindrische objecten niet berekenen en het onderzoek liep vast. Na 1851 had dit onderwerp de aandacht van vloeistofdynamica-wetenschappers getrokken en iedereen probeerde een oplossing voor dit probleem te vinden. De resultaten van de berekening van de weerstandscoëfficiënt van cilindrische objecten waren echter verschillend. Daarom werd deze impasse bekend als de Stokes-paradox en bleef het onopgelost.

De vraag die zich aan professor Khalili stelde was hoeveel organische stof microscale organismen in oceaanwater naar beneden transporteren wanneer zij van het oppervlak naar de zeebodem zakken. Na het oplossen van het onderwerp met behulp van wiskunde en getallen was experimenteel onderzoek nodig om deze berekeningen te valideren, omdat er in de numerieke wiskunde een groot foutenrisico bestaat.

Professor Khalili ontdekte in zijn streven om de oorzaak van deze verschillen te achterhalen dat de variatie in resultaten eigenlijk voortkomt uit verschillende experimentele omstandigheden.

Professor Khalili legt uit: “De diepe wateren van de oceanen spelen een zeer effectieve rol in de ecologie en klimaatologische omstandigheden van de aarde. Op het oppervlak van oceanen en diepe zeeën bevinden zich talrijke zeer kleine organismen en deeltjes. Wanneer zonlicht op deze deeltjes schijnt, vindt fotosynthese plaats en biologische absorptie- en uitstootprocessen vinden plaats. Deze deeltjes zijn het resultaat van de combinatie van diatomeeën, fytoplankton, fecale bolletjes en stof dat voortvloeit uit stormen enzovoort. Zodra het soortelijk gewicht van deze deeltjes zwaarder is dan dat van water, bewegen zij langzaam naar beneden (naar de zeebodem). Deze deeltjes, marijnesneeuw genoemd, bevatten organische stoffen die geleidelijk en langzaam op de zeebodem aankomen en leven van boven naar beneden overbrengen. Bacteriën vestigen zich op deze diatomeeën en fytoplankton en beginnen te ademen, waardoor koolzuurgas wordt geproduceerd. Dit koolzuurgas doet vanwege zijn lichte gewicht wederom het volledige traject van zeebodem naar oceaanoppervlak en verlaat het water, hetgeen veel problemen veroorzaakt zoals opwarming van de aarde, vorming van een gat in de ozonlaag en het smelten van poolijs. Dit probleem leidt tot verstoring van de mondiale oceaankoolstofcyclus en veroorzaakt problemen en veranderingen in klimatologische en meteorologische omstandigheden.”

Deze veranderingen kunnen tot op zekere hoogte worden voorspeld via computerprogramma’s, inclusief een programma dat momenteel in gebruik is bij het Meteorologisch Instituut van het Max Planck Instituut in Hamburg. Deze programma’s kunnen de toestand van de aarde in duizenden of honderdduizenden jaren simuleren en hun klimatologische omstandigheden voorspellen.

Een van de invoergegevens van deze computerprogramma’s is de hoeveelheid organische of koolstofhoudende stoffen die van het oceaanoppervlak in het water terechtkomen, omdat deze stoffen in de volgende cyclus koolzuurgas produceren. Aangezien de deeltjes van groene algen en diatomeeën cilindrisch van vorm zijn, hebben de prestaties van professor Khalili bij het oplossen van de Stokes-paradox het mogelijk gemaakt dat delen van de invoergegevens van deze programma’s zijn verbeterd en een relatief nauwkeuriger schatting van de hoeveelheid koolstof en organische stoffen die het oppervlak van de zeeën kunnen bereiken, kan worden verkregen.

Professor Khalili benadrukt in het vervolg van het gesprek het belang van het leren van de werkingsstrategie en het leven van organismen in oceanen: “Bijvoorbeeld produceren sommige microorganismen eiwitten die in combinatie met zout oceaanwater een natuurlijke lijm creëren. Deze lijm zou in de toekomst in chirurgische ingrepen de plaats van hechtingen kunnen innemen.”

Een ander onderzoeksonderwerp waarmee professor Khalili momenteel bezig is, is het onderzoeken van botsingen van vloeistofdeeltjes in plaats van het gebruik van bewegingsvergelijkingen om het snelheidsveld en drukkveld van vloeistof te berekenen. Dit onderzoek vereenvoudigt moeilijke hydrodynamische berekeningen en vermindert computersimulaties door niet-lineaire vergelijkingen in lineaire om te zetten.

Bron: DW