Konzentrationsfeld

Konzentrationsfeld ist ein Begriff aus Physik, Chemie und Umweltwissenschaften und bezieht sich auf die räumliche Verteilung einer chemischen Spezies in einem Raum zu einem gegebenen Zeitpunkt. Es wird durch eine Funktion C(x,t) beschrieben, die der Lagekoordinate x und der Zeit t zugeordnet ist. In der Regel handelt es sich um ein Skalarfeld, das den Zustand der Konzentration an jedem Punkt des betrachteten Gebiets angibt.

Mathematisch wird der Konzentrationsfeld häufig durch die Advektion-Diffusions-Gleichung beschrieben. Ohne Strömung und Quelle gilt die Diffusionsgleichung ∂C/∂t = ∇·(D ∇C), wobei D der Diffusionskoeffizient ist. Mit Strömung (Advektion) erhält man die advektions-diffusionsbasierte Form ∂C/∂t + u · ∇C = ∇·(D ∇C) + S, wobei u das Geschwindigkeitsfeld und S Quellen oder Senken darstellen. Allgemein lässt sich der Zustand eines Konzentrationsfeldes durch Randbedingungen (z. B. C an den Rändern) und Anfangsbedingungen C(x,0) festlegen.

Messung und Visualisierung erfolgen meist durch spektroskopische oder bildgebende Verfahren, zum Beispiel Fluoreszenz- oder Massenspektrometrie-Verfahren, MRI mit Tracern oder chemische Analysen. Die resultierenden Daten lassen sich als Isolinien, Farbkarten oder 3D-Isosurfaces darstellen.

Anwendungsbereiche reichen von Umweltmodellierung der Ausbreitung von Schadstoffen, chemischer Verfahrenstechnik, Biomedizin (Transport von Nährstoffen oder Medikamenten), über Materialwissenschaft bis hin zu Reaktions-Diffusions-Systemen in der Physik. Wichtige Konzepte im Zusammenhang sind Ficksche Gesetze, Randbedingungen, Anisotropie und gegebenenfalls nicht-Fickische Diffusion.