Forskning hjælper med at forstå dynamikken i klitdannelse

Halvmåneformede klitter kaldet barchaner er strukturer, der vises i en lang række miljøer, herunder strande og ørkener, flodlejer og havbunden, inde i vandrør og olieledninger, og på overfladen af ​​Mars og andre sandede planeter med en atmosfære.

På trods af forskelle i skala, der varierer fra 10 centimeter krusninger for undersøiske klitter til kilometerhøje bjerge for Mars-klitter, dynamikken i dannelse og bevægelse af barchan ser ud til at være meget ens overalt.

Forskning udført ved University of Campinas (UNICAMP) i Brasilien med støtte fra São Paulo Research Foundation - FAPESP tydeliggør dynamikken i vanddyner. Resultaterne kan også bidrage til en bedre forståelse af Mars topografi og dermed øge sandsynligheden for succes i Mars-missioner eller til optimering og omkostningseffektivitet af oliestrømme.

"Barchans er halvmåneformede klitter, der skyldes interaktion mellem granulært stof, typisk sand, og strømmen af ​​en væske, såsom gas eller væske under overvejende ensrettede strømningsbetingelser. Halvmånens to horn vender i retning af væskestrømmen, "sagde Erick de Moraes Franklin, en af ​​forfatterne til forskningen. Undersøgelsen er netop blevet offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Deres fund modsiger den forklaring, der foretrækkes for disse strukturers oprindelse og bevægelse, i hvert fald i tilfælde af subaqueous (undervands) klitter. "Vores forskning viser, at fremkomsten af ​​barchanhorn ikke kan forklares med den konventionelle model, hvorefter sandet hovedsageligt bevæger sig i længderetningen, og enhver sideværts bevægelse af kornene skyldes en mekanisme, der ligner diffusion. Den lokale forskydningshastighed for den oprindelige struktur formodes at være omvendt proportional med dens lokale højde, så de laveste dele ved siderne af sandbunken bevæger sig hurtigste og danner horn. Det er ikke det, vi observerede eksperimentelt, "Sagde Franklin.

Hvad han og Alvarez observerede i et flydende medium var, at kornene bevægede sig ved at rulle og glide i cirkulære stier. "Hornene dannes hovedsageligt af korn, der vandrer fra opstrøms områder til hornets område. Væksten af ​​en vandig barchan har en betydelig tværgående komponent, som ikke har diffusive egenskaber, "Sagde Franklin.

Alle barchaner har de samme proportioner med hensyn til forholdet mellem længde og højde og følger de samme bevægelseslove, uanset oprindelse eller skala. Deres højde er altid en tiendedel af deres længde, for eksempel. Som resultat, undersøgelsen udført i UNICAMPs laboratorium med klitter dannet ved ultrahurtige hastigheder kan hjælpe med at forstå dynamikken i Mars -terræn, såsom hvordan den røde planets gigantiske klitter udviklede sig, og hvordan de vil se ud tusinder af år fra nu.

Ifølge Franklin, dannelsen og bevægelsen af ​​en undervandsbarchan som følge af det komplementære eller modstridende samspil mellem tre faktorer:væskestrøm, tyngdekraft, og korntræthed. Klitter vokser, når væskestrøm flytter korn fra lavere til højere områder.

Tyngdekraften virker i den modsatte retning, trækker korn ned og plejer at gøre klitten fladere. Korninerti, eller mere præcist, den inertielle forskel mellem kornene og væsken, bestemmer, hvordan kornene interagerer med væsken. Hvis korninerti er meget større end væsketræghed, kornbevægelse er langsommere end væskebevægelse. I stedet for at slå sig ned ved klitten, kornene afsættes i et lavere nedstrøms område.

"Komplikationen er, at væsken er et kontinuerligt medium, hvis bevægelse kan beskrives ved kendte differentialligninger, og fysikere ved, hvordan de løser dem, der henviser til, at korn udgør et diskontinuerligt medium. En klit indeholder milliarder af korn. Skalaen er netop denne, i størrelsesordenen en milliard. Ud over, kornene er alle forskellige fra hinanden, "Forklarede Franklin.

"Indtil nu, det har været umuligt at beskrive bevægelsen af ​​alle korn med en enkelt differentialligning. Vi kan beskrive dem korn for korn, men hvordan kan vi integrere dem alle til sidst? Som resultat, flere spørgsmål om dynamikken i klitterne er åbne. Et af disse spørgsmål er, hvorfor en bunke korn, uanset dens form, udvikler sig til at danne en barchan, en halvmåneformet klit. Med andre ord, hvorfor de to horn? "

Formationsdynamik

Blandt de forskellige typer klitter, man ved, at en barchan dannes, når en væskes bevægelse (vinden over ørkenen eller vandet strømmer i en flod, for eksempel, forekommer i gennemsnit i en enkelt strømningsretning. Der kan være lejlighedsvise variationer, men statistisk set, kun én strømningsretning er fremherskende. Set ovenfra, denne type klit ligner et bogstav C. Denne form betyder, at væsken bevæger sig fra den konvekse side mod hornene, tvillingespidserne på C.

Nyheden i fundene fra denne undersøgelse er relateret til dynamikken i horndannelse. Den gamle model antog, at hvert korn bevægede sig ballistisk, som et projektil, der beskriver en parabel i det lodrette plan, og i samme retning som væsken. I ensrettet bevægelse, de nederste dele bevæger sig hurtigere, da deres hastighed er omvendt proportional med lokal højde. Derfor, de to horn dannes. Forskernes eksperiment på UNICAMP, imidlertid, viste, at dette ikke er tilfældet, i hvert fald ikke i vand.

"Vi udførte et forsøg med glaskerner under en turbulent vandstrøm. Ved hjælp af et højhastighedskamera, der kunne optage omkring tusind billeder i sekundet, vi filmede bunkenes bevægelse ovenfra og producerede en enorm mængde billeder, "Sagde Franklin.

"Det næste trin var at oprette et computerprogram, der åbnede filmbillede for billede og identificerede hver partikel, der havde bevæget sig. Ved at overvåge kornene, vi var i stand til at spore kornene, der dannede hornene, og de stier, de fulgte. Vi opdagede, at de ikke alle bevægede sig i en enkelt retning, som antaget af den gamle model. De fleste af dem flød rundt om den første bunke i en cirkulær bevægelse, og sådan tog hornene form. "

Franklin understregede, at opdagelsen gælder for klitter dannet i et flydende medium, men ikke nødvendigvis til klitter dannet i et gasformigt medium. Den fysiske forklaring på den mulige forskel er enkel og interessant, bemærkede han. "Den tidligere model var baseret på eoliske klitter, især ørkenklitter. Luftens tæthed er cirka et kilo pr. Kubikmeter. Tætheden af ​​et sandkorn er 2, 500 kg/m ³ . Det er en forskel i størrelsesorden 103, hvilket betyder, at for at fortrænge et sandkorn i ørkenen, luften skal bevæge sig meget hurtigt. Så hurtigt, at når det fortrænger et korn, kornet lanceres på en ballistisk bane som et projektil, "Forklarede Franklin.

"Kornet stiger omkring en meter og beskriver en parabolsk kurve. Flyveretningen er strømningens hovedretning. Således er den overordnede bevægelse er faktisk ensrettet. Imidlertid, vand er tusind gange tættere end luft ved 1, 000 kg/m ³ . Det betyder, at vand og sandkorn er inden for samme størrelsesorden, så vandstrømmen kan fortrænge kornet, mens det bevæger sig meget langsommere. Når det gør det, kornet følger groft sagt vandets bevægelse. Vandet strømmer rundt om bunken i en cirkulær bane, og det samme gør kornene. "

Forsøget viste, at den tidligere model, som blev anset for at være en absolut sandhed, gælder ikke alle sager. "Dette åbner for en hel diskussion om fænomenet, "sagde han." Der skal eksperimenteres med eoliske klitter for at bekræfte, om i dette tilfælde, den tidligere model er faktisk gyldig. Måske er det, men måske er det ikke. Der er stor interesse for emnet på grund af Mars -missionerne. En lille forskel mellem Mars -klitter kan tyde på, at der tidligere var vand i regionen. "

Ud over de mulige applikationer på lang sigt, råoliepumpning er en meget mere umiddelbar anvendelse til forskningsresultaterne. Råolie udvindes for det meste fra reservoirer, der indeholder sand og vand, så barchaner dannes inde i rørledninger og bremser strømmen af ​​olie, øger produktionsomkostningerne. I øvrigt, sandet bygger sig op visse steder, og fjernelse er vanskelig. En dybere forståelse af klitdannelse er uundværlig for at løse dette problem.