Hjulström-Diagramm

Grundidee und Aufbau

Das Hjulström-Diagramm beschreibt, wie stabil klastische Sedimentablagerungen – also Ansammlungen aus einzelnen Gesteins- oder Bodenpartikeln – gegenüber fließendem Wasser sind. Es kann auch für andere Partikelakkumulationen wie Regolith oder Boden verwendet werden. Es zeigt den Zusammenhang zwischen der mittleren Korngröße d und der mittleren Fließgeschwindigkeit v des Wassers.

Es ist ein empirisch gewonnenes doppellogarithmisches Diagramm: Auf der Abszisse steht die mittlere Korngröße d, auf der Ordinate die mittlere Geschwindigkeit v. Zwei Kurven, die Grenzgeschwindigkeiten oder kritische Geschwindigkeiten, teilen es in die Bereiche Erosion, Transport und Sedimentation. Erosion bedeutet das Herauslösen von Partikeln, Transport ihre Bewegung im Wasser und Sedimentation ihre Ablagerung.

Aussagen zu Erosion, Transport und Ablagerung

Die für die Erosion eines Korns oder Partikels benötigte Fließgeschwindigkeit ist stets größer als die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, damit der Partikel nicht abgelagert wird, also in Suspension bleibt. Suspension bezeichnet das Schweben von Teilchen im Wasser.

Mit zunehmender Fließgeschwindigkeit können größere Körner transportiert werden; im Diagramm wird v als direkt proportional zu d dargestellt. Grundsätzlich sinkt die für Erosion nötige Fließgeschwindigkeit, wenn der Korndurchmesser d kleiner wird. Unterhalb eines Korndurchmessers von 0,3 mm nimmt jedoch die Kohäsion, also der Zusammenhalt zwischen Partikeln, zu. Deshalb steigt bei noch kleineren Körnern die zur Erosion erforderliche Fließgeschwindigkeit wieder an. Sind solche Partikel einmal erodiert, bleiben sie besonders lange in Suspension. Daher ist das Transportfeld bei den kleinsten Korngrößen am größten.

Mittlere Fließgeschwindigkeit und mittlere Korngröße sind Ersatzgrößen für die verschiedenen Kräfte, die auf ein Partikel wirken. Wichtig sind besonders die Oberflächenrauigkeit, die Kohäsion und die Gewichtskraft eines einzelnen Partikels. Oberflächenrauigkeit und Gewichtskraft korrelieren positiv mit der Korngröße, die Kohäsion negativ. Das Diagramm erklärt nicht allein alle exogenen Prozesse mit flüssigem Wasser, bildet die beobachteten Abhängigkeiten von Erosion, Transport und Sedimentation von Fließgeschwindigkeit und Korngröße aber relativ genau ab.

Zasada- und Shields-Diagramm

Das Zasada-Diagramm vergleicht die Stabilitätsbereiche klastischer Sedimentablagerungen auf Erde und Mars. Wie das Hjulström-Diagramm ordnet es Erosion, Transport und Sedimentation der mittleren Korngröße und der durchschnittlichen Fließgeschwindigkeit zu, berücksichtigt dabei aber die Gravitation. Es wurde für den Vergleich der Transport- und Sedimentationsbedingungen auf Erde und Mars entwickelt. Sein mathematischer Ansatz lässt sich grundsätzlich auf andere terrestrische Planeten übertragen; für weitere Objekte im Sonnensystem ist jedoch bislang nicht nachgewiesen, dass dort oberflächenformende Prozesse durch flüssiges Wasser auftraten oder noch auftreten.

Das Diagramm macht deutlich, dass Gravitation Erosions- und Sedimentationsprozesse stark beeinflusst. Ähnliche Strukturen auf Erde und Mars können daher bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und Durchflussraten während der Ablagerung entstehen. Da auf dem Mars eine geringere Strömungsgeschwindigkeit für gleiche Strukturen genügen darf und die Strömungsgeschwindigkeit generell direkt proportional zur Durchflussrate ist, besteht die Möglichkeit, dass der Mars früher weniger Wasser besaß, als heutige Stromtäler und Delta-Strukturen zunächst vermuten lassen.

Das Shields-Diagramm beschreibt die Übergangszone zwischen Ruhe und Bewegung von Sand und Kies in einem Flussbett. Im Original-Shields-Diagramm wird die kritische Strömungsintensität über der sedimentologischen Reynoldszahl aufgetragen. Im modifizierten Shields-Diagramm steht die kritische Strömungsintensität über der dimensionslosen Korngröße.