Halvemaanvormige duinen die barchans worden genoemd, zijn structuren die in een grote verscheidenheid aan omgevingen voorkomen, inclusief stranden en woestijnen, rivierbeddingen en de zeebodem, binnen waterleidingen en oliepijpleidingen, en op het oppervlak van Mars en andere zandplaneten met een atmosfeer.

Ondanks schaalverschillen variërend van 10 centimeter rimpelingen voor onderwaterduinen tot kilometerhoge bergen voor Marsduinen, de dynamiek van de vorming en beweging van de barchan lijkt overal sterk op elkaar te lijken.

Onderzoek uitgevoerd aan de Universiteit van Campinas (UNICAMP) in Brazilië met de steun van São Paulo Research Foundation - FAPESP verduidelijkt de dynamiek van waterduinen. De resultaten kunnen ook bijdragen aan een beter begrip van de topografie van Mars en daarmee de kans op succes bij Mars-missies vergroten of aan de optimalisatie en kosteneffectiviteit van oliestromen.

"Barchans zijn halvemaanvormige duinen die het resultaat zijn van interactie tussen korrelige materie, typisch zand, en de stroming van een fluïdum zoals gas of vloeistof onder overwegend unidirectionele stromingsomstandigheden. De twee hoorns van de halve maan wijzen in de richting van de vloeistofstroom, " zei Erick de Moraes Franklin, een van de auteurs van het onderzoek. De studie is zojuist gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Hun bevindingen zijn in tegenspraak met de verklaring die de voorkeur heeft voor de oorsprong en beweging van deze structuren, althans bij onderwater (onderwater)duinen. "Ons onderzoek toont aan dat de opkomst van barchan-hoorns niet kan worden verklaard door het conventionele model, volgens welke het zand voornamelijk in lengterichting beweegt en elke zijwaartse beweging van de korrels te wijten is aan een mechanisme dat vergelijkbaar is met diffusie. De lokale verplaatsingssnelheid van de initiële structuur wordt verondersteld omgekeerd evenredig te zijn met de lokale hoogte, zodat de laagste delen aan de zijkanten van de zandhoop het snelst bewegen en hoorns vormen. Dat is niet wat we experimenteel hebben waargenomen, ' zei Franklin.

Wat hij en Alvarez in een vloeibaar medium zagen, was dat de korrels bewogen door te rollen en te schuiven in cirkelvormige paden. "De hoorns worden voornamelijk gevormd door korrels die migreren van stroomopwaartse gebieden naar het gebied van de hoorns. De groei van een onder water staande barchan heeft een significante transversale component, die geen diffuse kenmerken heeft, ' zei Franklin.

Alle barchans hebben dezelfde verhoudingen in de verhouding van lengte tot hoogte en volgen dezelfde bewegingswetten, ongeacht herkomst of schaal. Hun lengte is altijd een tiende van hun lengte, bijvoorbeeld. Als resultaat, de studie uitgevoerd in het laboratorium van UNICAMP met duinen gevormd met ultrahoge snelheden kan helpen bij het begrijpen van de dynamiek van het Mars-terrein, zoals hoe de gigantische duinen van de Rode Planeet evolueerden en hoe ze er over duizenden jaren uit zullen zien.

Volgens Franklin, de vorming en beweging van een onderwaterbarchan zijn het resultaat van het complementaire of tegenstrijdige samenspel van drie factoren:vloeistofstroom, zwaartekracht, en graantraagheid. Duinen groeien terwijl de vloeistofstroom korrels van lagere naar hogere regio's verplaatst.

De zwaartekracht werkt in de tegenovergestelde richting, korrels naar beneden trekken en de neiging hebben om het duin vlakker te maken. korrel inertie, of beter gezegd, het traagheidsverschil tussen de korrels en de vloeistof, bepaalt hoe de korrels interageren met de vloeistof. Als de korreltraagheid veel groter is dan de vloeistoftraagheid, graanbeweging is langzamer dan vloeiende beweging. In plaats van zich te vestigen aan de rand van het duin, de korrels worden in een lager stroomafwaarts gebied afgezet.

"De complicatie is dat de vloeistof een continu medium is waarvan de beweging kan worden beschreven door bekende differentiaalvergelijkingen, en natuurkundigen weten ze op te lossen, terwijl granen een discontinu medium vormen. Een duin bevat miljarden korrels. De schaal is precies dit, in de orde van een miljard. In aanvulling, de korrels zijn allemaal verschillend van elkaar, ’ legde Franklin uit.

"Tot dusver, het was onmogelijk om de beweging van alle korrels te beschrijven met een enkele differentiaalvergelijking. We kunnen ze korrel voor korrel beschrijven, maar hoe kunnen we ze uiteindelijk allemaal integreren? Als resultaat, enkele vragen over de dynamiek van duinen blijven open. Een van deze vragen is waarom een ​​stapel granen, wat de vorm ook is, evolueert om een ​​barchan te vormen, een halvemaanvormige duin. Met andere woorden, waarom de twee horens?"

Dynamiek van formatie

Tussen de verschillende soorten duinen, het is bekend dat een barchan ontstaat wanneer de beweging van een vloeistof (de wind over de woestijn of het water in een rivier, bijvoorbeeld, komt gemiddeld voor in één stromingsrichting. Er kunnen af ​​en toe variaties zijn, maar in statistische termen, slechts één stromingsrichting heerst. Van bovenaf gezien, dit type duin lijkt op een letter C. Deze vorm betekent dat de vloeistof van de bolle kant naar de hoorns beweegt, de tweelingpunten van de C.

De nieuwigheid in de bevindingen van deze studie houdt verband met de dynamiek van hoornvorming. Het oude model ging ervan uit dat elke korrel ballistisch bewoog, als een projectiel dat een parabool beschrijft in het verticale vlak, en in dezelfde richting als de vloeistof. Bij eenrichtingsbeweging, de lagere delen bewegen sneller omdat hun snelheid omgekeerd evenredig is met de lokale hoogte. Vandaar, de twee horens vormen. Het experiment van de onderzoekers bij UNICAMP, echter, toonde aan dat dit niet het geval is, in ieder geval niet in het water.

"We hebben een experiment uitgevoerd met glaskorrels onder een turbulente waterstroom. Met behulp van een hogesnelheidscamera die ongeveer duizend beelden per seconde kan opnemen, we filmden de beweging van de stapel van bovenaf en produceerden een enorme hoeveelheid beelden, ' zei Franklin.

"De volgende stap was het maken van een computerprogramma dat de film beeld voor beeld opende en elk deeltje dat was bewogen identificeerde. Door de korrels te volgen, we waren in staat om de korrels te volgen die de hoorns vormden en de paden die ze volgden. We ontdekten dat ze niet allemaal in één richting bewogen, zoals aangenomen door het oude model. De meeste vloeiden in een cirkelvormige beweging om de eerste stapel heen, en zo kregen de hoorns vorm."

Franklin benadrukte dat de ontdekking van toepassing is op duinen gevormd in een vloeibaar medium, maar niet noodzakelijk op duinen gevormd in een gasvormig medium. De fysieke verklaring voor het mogelijke verschil is eenvoudig en interessant, hij merkte. "Het vorige model was gebaseerd op eolische duinen, vooral woestijnduinen. De dichtheid van lucht is ongeveer één kilogram per kubieke meter. De dichtheid van een zandkorrel is 2, 500 kg/m ³ . Dat is een verschil in magnitude van 103, wat betekent dat om een ​​zandkorrel in de woestijn te verplaatsen, de lucht moet zeer snel bewegen. Zo snel dat wanneer het een korrel verplaatst, het graan wordt gelanceerd op een ballistische baan als een projectiel, ’ legde Franklin uit.

"De korrel stijgt ongeveer een meter en beschrijft een parabolische curve. De vliegrichting is de hoofdrichting van de stroom. Dus, de algemene beweging is inderdaad eenrichtingsverkeer. Echter, water is duizend keer dichter dan lucht bij 1, 000 kg/m ³ . Dat betekent dat water en de zandkorrel in dezelfde orde van grootte liggen, zodat de waterstroom het graan kan verplaatsen terwijl het veel langzamer beweegt. Zoals het dat doet, de korrel volgt ruwweg de beweging van het water. Het water stroomt in een cirkelvormig pad om de stapel heen, en dat geldt ook voor de granen."

Het experiment toonde aan dat het vorige model, die als een absolute waarheid werd beschouwd, geldt niet voor alle gevallen. "Dit opent een hele discussie over het fenomeen, " zei hij. "Er zullen experimenten moeten worden gedaan met eolische duinen om te bevestigen of in dit geval, het vorige model is inderdaad geldig. Misschien is het, maar misschien is het dat niet. Er is veel belangstelling voor het onderwerp vanwege de Mars-missies. Een klein verschil tussen de duinen van Mars zou erop kunnen wijzen dat er in het verleden water in de regio was."

Naast de mogelijke toepassingen op lange termijn, Het pompen van ruwe olie is een veel directere toepassing voor de onderzoeksresultaten. Ruwe olie wordt meestal gewonnen uit reservoirs met zand en water, dus barchans vormen zich in pijpleidingen en vertragen de oliestroom, productiekosten opdrijven. Bovendien, het zand hoopt zich op bepaalde plaatsen op, en verwijderen is moeilijk. Een dieper begrip van duinvorming is onontbeerlijk om dit probleem op te lossen.