Knallende bubbels

Altijd is gedacht dat de knallen van de pistoolgarnaal ontstaan wanneer de helften van zijn schaar op elkaar klappen. Fout: het geluid komt van imploderende bubbels.

IN DE OCEANEN is het allesbehalve stil. Onder het wateroppervlak klinkt het geluid van de golven, je kunt er luisteren naar regen, hagel en sneeuw en ook vissen, dolfijnen en walvissen laten van zich horen. Maar het ergst zijn de pistoolgarnalen. In ondiepere (sub)tropische wateren, waar ze zeer talrijk zijn, zorgen deze bruingroene beestjes van ongeveer 5,5 cm voor een permanent geknetter dat op grote afstand hoorbaar is. Zelfs zoveel lawaai maken ze dat de sonar van onderzeeërs er soms last van heeft – niet toevallig is het onderzoek naar het verschijnsel gedurende de Tweede Wereldoorlog gestart.

Altijd is gedacht dat de pistoolgarnaal (Alpheus heterochaelis) knalt op het moment dat zijn grote schaar, die wel 3 centimeter lang kan zijn en oogt als een soort bokshandschoen, door toedoen van een zich samentrekkende spier dichtklapt. Mechanisch contact dus. Fout, zo laten onderzoekers uit Twente en München deze week in Science zien. Het geknetter vindt zijn oorzaak in imploderende luchtbellen.

Toch begint alles met de dichtklappende schaar. De beweegbare helft heeft een tandvormig uitsteeksel dat precies past in een holte van de andere helft. Wanneer beide delen tegen elkaar slaan spuit het water in de holte met kracht weg. Door de snelheid die het water krijgt, tot zo'n 100 kilometer per uur, neemt de druk flink af: het Bernoulli-effect (om dezelfde reden bewegen twee evenwijdige strookjes papier waartussen lucht wordt geblazen naar elkaar toe). Zodra de druk onder de dampdruk van water zakt, beginnen de in het water aanwezige minuscule luchtbelletjes te zwellen tot afmetingen van enkele millimeters. Waarna door afremming van het wegspuitende water de onderdruk wegvalt en de bel met een knal implodeert.

Dit zogeheten cavitatie-effect verschaft de pistoolgarnaal een middel om met soortgenoten te communiceren, maar ook een wapen gericht tegen wie zich te dicht in de buurt waagt. Imploderende bellen gaan gepaard met energierijke schokgolven die krabben van bescheiden omvang, wormen, grondels of andere garnalen kunnen verlammen wanneer ze zich op minder dan een paar millimeter afstand van de schaar bevinden. Om dezelfde reden zijn cavitaties gevreesd in de scheepvaart: snel roterende schroefbladen jagen water op en er vormen zich weer luchtbellen, eindigend in implosies die het metaal verzwakken.

Het idee dat bij de pistoolgarnaal imploderende luchtbellen voor het lawaai zorgen ontstond toen Detlef Lohse, aan de Universiteit Twente hoogleraar vloeistoffysica, vorig jaar in München een lezing gaf over sonoluminescentie. Dat is het verschijnsel waarbij geluid een luchtbel in water zo krachtig ineen doet storten dat de temperatuur voldoende hoog oploopt om licht op te wekken. Lohse, die op 1 april 1999 in Nature een theoretisch model presenteerde dat de waargenomen verschijnselen bij sonoluminescentie voor het eerst verklaart, werd na afloop van zijn praatje aangeklampt door Barbara Schmitz, een biologe die aan de Technische Universiteit München met pistoolgarnalen werkte. Het was haar opgevallen dat op videobeelden die in haar lab gemaakt waren vlakbij de schaar van de garnaal wel eens een luchtbel te zien was. Toen Lohse bovendien het geluidsspectrum van de pistoolgarnalen onder ogen kreeg wist hij: hier is een bel in het spel.

Met een subsidie van de FOM (stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie) gingen Lohse's medewerkers Michel Versluis en Anna von der Heydt in München aan de slag. Zeven pistoolgarnalen werden in een aquarium op een bodemplaat vastgemaakt, waarop de schaar na kietelen met een penseeltje tot dichtklappen werd verleid. Alles waargenomen door een hoge snelheidscamera (per seconde 40.500 digitale beelden met een resolutie van 6464 pixels) en een onderwatermicrofoon (met een bereik tot 100 kHz). Combinatie van foto's met de bijbehorende geluidspectra gaf ondubbelzinnig aan hoe eerst de schaar dichtklapte en 1,25 milliseconde later de knal klonk. Ook was te zien dat bij de schaar na het dichtklappen een langgerekte luchtbel groeide, om even later ineen te klappen. Implosie en knal vielen bij de in totaal 108 experimenten steeds op zo goed als hetzelfde tijdstip.

Een modelberekening, gemaakt op basis van vergelijkingen die Lord Rayleigh in 1916 in opdracht van de Britse marine (die de schade aan haar scheepsschroeven beu was en van de beroemde fysicus een remedie wilde – ze kreeg een verklaring maar de belletjes kon Rayleigh natuurlijk niet uit het zeewater bannen) had opgesteld, leverde uitkomsten op die strookten met de waarnemingen in München. De pistoolgarnaal knalt met instortende luchtbellen.