Barchans zijn halvemaanvormige zandduinen waarvan de twee hoorns in de richting van de vloeistofstroom wijzen. Ze verschijnen in verschillende omgevingen, zoals in waterleidingen of op rivierbeddingen, waar ze de vorm aannemen van rimpelingen van tien centimeter, en woestijnen, waar ze 100 meter kunnen overschrijden, en het oppervlak van Mars, waar ze een kilometer lang of meer kunnen zijn. Als hun grootte sterk varieert, dat geldt ook voor de tijd die ze nodig hebben om zich te vormen en met elkaar om te gaan. De ordes van grootte variëren van een minuut voor kleine barchans in water tot een jaar voor grote woestijnformaties en een millennium voor de reuzen op Mars.

Ze worden gevormd door de interactie tussen de stroming van een vloeistof, zoals gas of vloeistof, en korrelige materie, typisch zand, onder overwegend unidirectionele stroomomstandigheden.

"Wat interessant is, is de gelijkenis van hun vormings- en interactiedynamiek, ongeacht de grootte. Als resultaat, we kunnen aquatische barchans in het laboratorium bestuderen om voorspellingen te doen over de evolutie van de duinen in Lençóis Maranhenses [een kustecosysteem in het noordoosten van Brazilië] of om de oorsprong van de topografie in de Hellespontus-regio op Mars te onderzoeken, " zei Erik Franklin, een onderzoeker en professor aan de School of Mechanical Engineering van de Universiteit van Campinas (FEM-UNICAMP) in de staat São Paulo, Brazilië.

Werken met zijn Ph.D. student Willian Righi Assis, Franklin voerde meer dan 120 experimenten uit en identificeerde vijf basistypen interactie tussen barchans.

De studie, volledig uitgevoerd bij UNICAMP, wordt gerapporteerd in een artikel dat in het tijdschrift is gepubliceerd Geofysische onderzoeksbrieven . Het werd ondersteund door FAPESP via een Fase 2 Young Investigator Grant toegekend aan Franklin en een directe doctoraatsbeurs toegekend aan Assis.

Een opvallend aspect van het onderwerp is dat het niet alleen een robuuste vorm heeft die in veel verschillende omgevingen voorkomt, barchans vormen typisch gangen waarin hun afmetingen ongeveer hetzelfde zijn. Analyse van individuele duinen suggereert dat ze voor onbepaalde tijd zouden moeten groeien, steeds groter worden, maar dit is niet het geval. Een verklaring voor hun karakteristieke grootte in een bepaalde omgeving is dat binaire interacties, vooral botsingen, de zandmassa herverdelen, en in plaats van continu te groeien, worden ze onderverdeeld in kleinere duinen.

"Dit is in het verleden voorgesteld, maar niemand had deze interacties uitgebreid getest en in kaart gebracht, aangezien het tientallen jaren duurt voordat duinbotsingen plaatsvinden in terrestrische woestijnen, Franklin zei. "Profiterend van het feit dat onderwaterbarchans klein zijn en veel sneller bewegen, we hebben experimenten uitgevoerd in een hydrodynamisch kanaal gemaakt van transparant materiaal, met turbulente waterstroom die paren barchans vormde en transporteerde terwijl een camera het proces filmde. We hebben voor het eerst de vijf basistypen van binaire interactie geïdentificeerd."

In de experimenten, de onderzoekers varieerden onafhankelijk van de parameters die bij het probleem betrokken waren, zoals korreldiameter, dichtheid en rondheid, waterstroomsnelheid, en beginvoorwaarden. De verkregen beelden werden door de computer verwerkt met behulp van een door de onderzoekers geschreven numerieke code. Op basis van de resultaten, ze stelden twee kaarten voor die een algemene classificatie van de mogelijke interacties opleverden.

"Onze experimenten toonden aan dat wanneer een binaire botsing optreedt, de barchan die oorspronkelijk stroomafwaarts was, d.w.z. voor, een duin verdreven met een ongeveer gelijke massa als die van de barchan stroomopwaarts, d.w.z. achter, Franklin zei. "De eerste indruk was dat de stroomopwaartse barchan als een golf over de andere barchan ging, maar het gebruik van gekleurde korrels heeft ons geholpen om te laten zien dat dit niet is gebeurd. Werkelijk, de stroomopwaartse barchan ging de stroomafwaartse barchan binnen, die te groot werd en een massa vrijgaf die min of meer gelijk was aan de ontvangen massa."

Interacties tussen de twee barchans omvatten in wezen twee mechanismen. Een daarvan was de verstoring veroorzaakt in de vloeistof, die de stroomopwaartse barchan omzeilde, versnelde en beïnvloedde de stroomafwaartse barchan, die erodeerde. Dit wordt het "wake-effect" genoemd. De andere was de botsing waarbij de korrels van de botsende barchans samensmolten.

"Onze experimentele gegevens toonden aan dat deze twee mechanismen vijf soorten barchan-barchan-interactie veroorzaakten, Franklin zei. In gedachten houdend dat de snelheid van een duin omgekeerd evenredig is met zijn grootte, de eenvoudigste twee zijn wat we jagen en samenvoegen noemen."

Jagen vindt plaats wanneer de twee barchans ongeveer even groot zijn en erosie als gevolg van het zogeffect zorgt ervoor dat het stroomafwaartse duin kleiner wordt. De twee barchans bewegen dan met dezelfde snelheid en blijven op een constante afstand van elkaar. Samenvoegen gebeurt wanneer de stroomopwaartse barchan veel kleiner is dan de stroomafwaartse barchan. Erosie veroorzaakt door het kielzog vermindert de omvang van het bovenstroomse duin niet substantieel, zodat de barchans botsen en samensmelten, een enkele duin vormen.

Het derde type interactie is uitwisseling, wat ingewikkelder is. "Uitwisseling vindt plaats wanneer de stroomopwaartse barchan kleiner is dan de stroomafwaartse barchan, maar niet veel kleiner. Hier, te, het bovenstroomse duin haalt het benedenstroomse duin in en ze botsen. Terwijl ze dat doen, de kleinere duin stijgt en verspreidt zich over de grotere. Tijdens dit proces, echter, de vloeistofstroom, die wordt afgebogen door het nieuwe duin, de voorkant van het duin sterk erodeert, die een nieuw duin uitwerpt. Omdat het kleiner is en stroomafwaarts naar voren komt, het nieuwe duin beweegt sneller en er ontstaat een opening tussen de twee duinen, ' zei Franklin.

De laatste twee soorten interactie vinden plaats wanneer de vloeistofstroom erg sterk is. "Wat we 'fragmentatie-jagen' noemen, is wanneer de duinen van verschillende grootte zijn. Het zogeffect op het benedenstroomse duin is zo sterk dat het in tweeën splitst. Beide resulterende duinen zijn kleiner dan het bovenstroomse duin. Het resultaat zijn drie duinen met steeds groter wordende hiaten. Het laatste type is 'fragmentatie-uitwisseling', wat vergelijkbaar is. Het verschil is dat het bovenstroomse duin het benedenstroomse duin bereikt voordat het in tweeën is gedeeld, ' zei Franklin.

De vijf typen zijn gemakkelijk te begrijpen in de bijbehorende video. In feite, de onderzoekers konden de typologie construeren dankzij de visuele ondersteuning van de films die in het artikel worden beschreven. "Onze resultaten, verkregen voor onder water staande barchans die centimeters lang waren en zich in minuten ontwikkelden, het begrip van de dynamiek en vorming van dit type duin aanzienlijk vergroten, Franklin zei. "Door wetten van schaal, ze stellen ons in staat om de bevindingen naar andere omgevingen te transponeren, waar de maten groter zijn en de tijdspanne langer. Het verleden van Mars begrijpen of zijn verre toekomst projecteren, die beide momenteel interessant zijn voor wetenschappers, zou door deze bevindingen aanzienlijk kunnen worden vergemakkelijkt." Barchans zijn halvemaanvormige zandduinen waarvan de twee hoorns in de richting van de vloeistofstroom wijzen. Ze verschijnen in verschillende omgevingen, zoals in waterleidingen of op rivierbeddingen, waar ze de vorm aannemen van rimpelingen van tien centimeter, en woestijnen, waar ze 100 meter kunnen overschrijden, en het oppervlak van Mars, waar ze een kilometer lang of meer kunnen zijn. Als hun grootte sterk varieert, dat geldt ook voor de tijd die ze nodig hebben om zich te vormen en met elkaar om te gaan. De ordes van grootte variëren van een minuut voor kleine barchans in water tot een jaar voor grote woestijnformaties en een millennium voor de reuzen op Mars.

Ze worden gevormd door de interactie tussen de stroming van een vloeistof, zoals gas of vloeistof, and granular matter, typically sand, under predominantly unidirectional flow conditions. 

"What's interesting is the similarity of their formation and interaction dynamics, regardless of size. Als resultaat, we can study aquatic barchans in the laboratory to make predictions about the evolution of the dunes in Lençóis Maranhenses [a coastal ecosystem in the Northeast of Brazil] or to investigate the origins of the topography in the Hellespontus region on Mars, " said Erick Franklin, a researcher and professor at the University of Campinas's School of Mechanical Engineering (FEM-UNICAMP) in the state of São Paulo, Brazil.

Working with his Ph.D. student Willian Righi Assis, Franklin performed more than 120 experiments and identified five basic types of interaction between barchans. 

De studie, conducted entirely at UNICAMP, is reported in an article published in the journal Geophysical Research Letters. It was supported by FAPESP via a Phase 2 Young Investigator Grant awarded to Franklin and a direct doctorate scholarship awarded to Assis.

A striking aspect of the topic is that as well as having a robust shape that appears in many different environments, barchans typically form corridors in which their sizes are approximately the same. Analysis of individual dunes suggests they should grow indefinitely, becoming steadily larger, but this is not the case. One explanation for their characteristic size in a given environment is that binary interactions, especially collisions, redistribute the mass of sand, and instead of growing continuously they subdivide into smaller dunes.

"This has been proposed in the past, but no one had extensively tested and mapped these interactions, as dune collisions take decades to happen in terrestrial deserts, " Franklin said. "Taking advantage of the fact that underwater barchans are small and move much faster, we conducted experiments in a hydrodynamic channel made of transparent material, with turbulent water flow forming and transporting pairs of barchans while a camera filmed the process. We identified for the first time the five basic types of binary interaction."

In the experiments, the researchers varied independently each of the parameters involved in the problem, such as grain diameter, density and roundness, water flow velocity, and initial conditions. The images acquired were processed by computer using a numerical code written by the researchers. Op basis van de resultaten, they proposed two maps that supplied a general classification of the possible interactions.

"Our experiments showed that when a binary collision occurs, the barchan that was originally downstream, i.e. in front, expelled a dune of an approximately equal mass to that of the barchan upstream, i.e. behind, " Franklin said. "The first impression was that the upstream barchan passed over the other barchan like a wave, but the use of colored grains helped us show this didn't happen. Actually, the upstream barchan entered the downstream barchan, which became too large and released a mass more or less equal to the mass received."

Interactions between the two barchans basically involved two mechanisms. One was the disturbance caused in the fluid, which bypassed the upstream barchan, accelerated and impacted the downstream barchan, which eroded. This is termed the "wake effect". The other was the collision in which the colliding barchans' grains merged. 

"Our experimental data showed that these two mechanisms caused five types of barchan-barchan interaction, " Franklin said. "Bearing in mind that the velocity of a dune is inversely proportional to its size, the simplest two are what we call chasing and merging."

Chasing occurs when the two barchans are roughly the same size and erosion due to the wake effect makes the downstream dune decrease in size. The two barchans then move at the same velocity and remain at a constant distance from each other. Merging happens when the upstream barchan is much smaller than the downstream barchan. Erosion caused by the wake does not substantially decrease the size of the upstream dune, so that the barchans collide and merge, forming a single dune.

The third type of interaction is exchange, which is more complicated. "Exchange happens when the upstream barchan is smaller than the downstream barchan, but not much smaller. Hier, te, the upstream dune catches up with the downstream dune and they collide. As they do so, the smaller dune ascends and spreads over the larger one. Tijdens dit proces, echter, the fluid flow, which is deflected by the new dune, strongly erodes the front of the dune, which ejects a new dune. Because it is smaller and emerges downstream, the new dune moves faster and a gap opens up between the two dunes, " Franklin said.

The last two types of interaction happen when fluid flow is very strong. "What we call 'fragmentation-chasing' is when the dunes are of different sizes. The wake effect on the downstream dune is so strong that it splits into two. Both the resulting dunes are smaller than the upstream dune. The result is three dunes with gaps widening between them. The last type is 'fragmentation-exchange', which is similar. The difference is that the upstream dune reaches the downstream dune before its division into two is complete, " Franklin said.

The five types are easy to understand in this video. In feite, the researchers were able to construct the typology thanks to the visual support afforded by the movies described in the article. "Our results, obtained for subaqueous barchans that were centimeters in length and developed in minutes, significantly advance the understanding of the dynamics and formation of this type of dune, " Franklin said. "Through laws of scale, they enable us to transpose the findings to other environments, where sizes are larger and timespans longer. Understanding the past of Mars or projecting its distant future, both of which are currently of interest to scientists, could be greatly facilitated by these findings."