Studie af klitdynamik vil hjælpe videnskabsmænd med at forstå Mars topografi

Barchans er halvmåneformede klitter, hvis to horn vender i retning af væskestrømmen. De optræder i forskellige miljøer, såsom inde i vandrør eller på flodsenge, hvor de har form af ti centimeter krusninger, og ørkener, hvor de kan overstige 100 meter, og Mars' overflade, hvor de kan være en kilometer lange eller mere. Hvis deres størrelse varierer meget, det samme gør den tid, de tager at danne og interagere. Størrelsesordenerne spænder fra et minut for små barchans i vand til et år for store ørkenformationer og et årtusinde for kæmperne på Mars.

De dannes af vekselvirkningen mellem strømmen af ​​en væske, gas eller væske, og granuleret stof, typisk sand, under overvejende ensrettede strømningsforhold.

"Det interessante er ligheden mellem deres dannelse og interaktionsdynamik, uanset størrelse. Som resultat, vi kan studere akvatiske barchans i laboratoriet for at komme med forudsigelser om udviklingen af ​​klitterne i Lençóis Maranhenses [et kyst-økosystem i det nordøstlige Brasilien] eller for at undersøge oprindelsen af ​​topografien i Hellespontus-regionen på Mars, " sagde Erick Franklin, en forsker og professor ved University of Campinas's School of Mechanical Engineering (FEM-UNICAMP) i staten São Paulo, Brasilien.

Arbejder med sin ph.d. studerende Willian Righi Assis, Franklin udførte mere end 120 eksperimenter og identificerede fem grundlæggende typer af interaktion mellem barchans.

Studiet, udført udelukkende på UNICAMP, er rapporteret i en artikel publiceret i tidsskriftet Geofysiske forskningsbreve . Det blev støttet af FAPESP via et fase 2 Young Investigator Grant tildelt Franklin og et direkte doktorgradsstipendium tildelt Assis.

Et slående aspekt af emnet er, at ud over at have en robust form, der optræder i mange forskellige miljøer, barchans danner typisk korridorer, hvor deres størrelser er omtrent ens. Analyse af individuelle klitter tyder på, at de bør vokse i det uendelige, bliver støt større, men dette er ikke tilfældet. En forklaring på deres karakteristiske størrelse i et givet miljø er, at binære interaktioner, især kollisioner, omfordele sandmassen, og i stedet for at vokse uafbrudt opdeles de i mindre klitter.

"Dette er blevet foreslået tidligere, men ingen havde grundigt testet og kortlagt disse interaktioner, da det tager årtier at finde klitkollisioner i terrestriske ørkener, " sagde Franklin. "Ved at udnytte det faktum, at undervandsbarchans er små og bevæger sig meget hurtigere, vi udførte eksperimenter i en hydrodynamisk kanal lavet af transparent materiale, med turbulent vandstrøm, der danner og transporterer par af barchans, mens et kamera filmede processen. Vi identificerede for første gang de fem grundlæggende typer binær interaktion."

I forsøgene, forskerne varierede uafhængigt af hver af parametrene involveret i problemet, såsom korndiameter, tæthed og rundhed, vandstrømningshastighed, og startbetingelser. De opnåede billeder blev behandlet af computer ved hjælp af en numerisk kode skrevet af forskerne. Baseret på resultaterne, de foreslog to kort, der gav en generel klassifikation af de mulige interaktioner.

"Vores eksperimenter viste, at når der opstår en binær kollision, barchan, der oprindeligt var nedstrøms, dvs foran, udstødte en klit med omtrent samme masse som barchan opstrøms, dvs bagved, " sagde Franklin. "Det første indtryk var, at opstrøms barchan passerede over den anden barchan som en bølge, men brugen af ​​farvede korn hjalp os med at vise, at dette ikke skete. Rent faktisk, opstrøms barchan gik ind i nedstrøms barchan, som blev for stor og frigav en masse mere eller mindre svarende til den modtagne masse."

Interaktioner mellem de to barchans involverede grundlæggende to mekanismer. Den ene var forstyrrelsen i væsken, som gik uden om opstrøms barchan, accelererede og ramte nedstrøms barchan, som eroderet. Dette kaldes "vågningseffekten". Den anden var kollisionen, hvor de sammenstødende barchans korn smeltede sammen.

"Vores eksperimentelle data viste, at disse to mekanismer forårsagede fem typer barchan-barchan-interaktion, " sagde Franklin. "Med tanke på, at hastigheden af ​​en klit er omvendt proportional med dens størrelse, de enkleste to er, hvad vi kalder jagt og sammensmeltning."

Chasing opstår, når de to barchans har nogenlunde samme størrelse, og erosion på grund af kølvandseffekten får nedstrømsklitten til at falde i størrelse. De to barchaner bevæger sig derefter med samme hastighed og forbliver i konstant afstand fra hinanden. Sammenlægning sker, når opstrøms barchan er meget mindre end nedstrøms barchan. Erosion forårsaget af kølvandet formindsker ikke størrelsen af ​​opstrømsklitten væsentligt, så barchanerne støder sammen og smelter sammen, danner en enkelt klit.

Den tredje type interaktion er udveksling, hvilket er mere kompliceret. "Udveksling sker, når opstrøms barchan er mindre end nedstrøms barchan, men ikke meget mindre. Her, også, opstrøms klit indhenter nedstrøms klit, og de støder sammen. Mens de gør det, den mindre klit stiger op og breder sig over den større. Under denne proces, imidlertid, væskestrømmen, som afbøjes af den nye klit, eroderer kraftigt forsiden af ​​klitten, som udskyder en ny klit. Fordi det er mindre og dukker op nedstrøms, den nye klit bevæger sig hurtigere, og der åbner sig et hul mellem de to klitter, " sagde Franklin.

De sidste to typer interaktion sker, når væskestrømmen er meget stærk. "Det, vi kalder 'fragmentation-chasing', er, når klitterne er af forskellig størrelse. Wake-effekten på nedstrøms klit er så stærk, at den deler sig i to. Begge de resulterende klitter er mindre end opstrøms klit. Resultatet er tre klitter. med mellemrum, der udvides mellem dem. Den sidste type er 'fragmentation-exchange', som ligner. Forskellen er, at opstrømsklitten når nedstrømsklitten, før dens opdeling i to er fuldført, " sagde Franklin.

De fem typer er nemme at forstå i den medfølgende video. Faktisk, forskerne var i stand til at konstruere typologien takket være den visuelle støtte fra filmene beskrevet i artiklen. "Vores resultater, opnået for undervandige barchaner, der var centimeter lange og udviklede på minutter, markant fremme forståelsen af ​​dynamikken og dannelsen af ​​denne type klit, " sagde Franklin. "Gennem skalalove, de sætter os i stand til at overføre resultaterne til andre miljøer, hvor størrelserne er større og længere tid. At forstå Mars' fortid eller projicere dens fjerne fremtid, som begge i øjeblikket er af interesse for forskere, kunne i høj grad lettes af disse fund." Barchans er halvmåneformede klitter, hvis to horn vender i retning af væskestrømmen. De optræder i forskellige miljøer, såsom inde i vandrør eller på flodsenge, hvor de har form af ti centimeter krusninger, og ørkener, hvor de kan overstige 100 meter, og Mars' overflade, hvor de kan være en kilometer lange eller mere. Hvis deres størrelse varierer meget, det samme gør den tid, de tager at danne og interagere. Størrelsesordenerne spænder fra et minut for små barchans i vand til et år for store ørkenformationer og et årtusinde for kæmperne på Mars.

De dannes af vekselvirkningen mellem strømmen af ​​en væske, gas eller væske, 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. Som resultat, 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. 

Studiet, 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. Baseret på resultaterne, 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. Rent faktisk, 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. Her, også, 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. Under denne proces, imidlertid, 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. Faktisk, 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."