• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Studier av dyndynamik kommer att hjälpa forskare att förstå Mars topografi

    Forskare vid University of Campinas genomförde mer än 120 experiment med sanddyner på upp till 10 cm som interagerar under några minuter, skaffa en modell som är giltig för sanddyner på Mars yta som är många mil långa och som tar mer än tusen år att interagera. Kredit:Agência FAPESP

    Barchans är halvmåneformade sanddyner vars två horn är vända i vätskeflödets riktning. De förekommer i olika miljöer, såsom inuti vattenrör eller på flodbäddar, där de tar formen av tio centimeters krusningar, och öknar, där de kan överstiga 100 meter, och Mars yta, där de kan vara en kilometer långa eller mer. Om deras storlek varierar mycket, det gör också den tid de tar att formas och interagera. Storleksordningarna sträcker sig från en minut för små barchans i vatten till ett år för stora ökenformationer och ett millennium för jättarna på Mars.

    De bildas av interaktionen mellan flödet av en vätska, såsom gas eller vätska, och granulärt material, vanligtvis sand, under övervägande enkelriktade flödesförhållanden.

    "Det som är intressant är likheten mellan deras bildning och interaktionsdynamik, oavsett storlek. Som ett resultat, vi kan studera vattenlevande barchans i laboratoriet för att göra förutsägelser om utvecklingen av sanddynerna i Lençóis Maranhenses [ett kustnära ekosystem i nordöstra Brasilien] eller för att undersöka ursprunget till topografin i Hellespontus-regionen på Mars, sa Erick Franklin, en forskare och professor vid University of Campinas School of Mechanical Engineering (FEM-UNICAMP) i delstaten São Paulo, Brasilien.

    Arbetar med sin Ph.D. student Willian Righi Assis, Franklin utförde mer än 120 experiment och identifierade fem grundläggande typer av interaktion mellan barchans.

    Studien, genomförs helt på UNICAMP, rapporteras i en artikel publicerad i tidskriften Geofysiska forskningsbrev . Det stöddes av FAPESP via ett Fase 2 Young Investigator Grant till Franklin och ett direkt doktorsstipendium till Assis.

    En slående aspekt av ämnet är att förutom att ha en robust form som förekommer i många olika miljöer, barchans bildar vanligtvis korridorer där deras storlekar är ungefär lika stora. Analys av enskilda sanddyner tyder på att de borde växa på obestämd tid, blir stadigt större, men så är inte fallet. En förklaring till deras karaktäristiska storlek i en given miljö är att binära interaktioner, speciellt kollisioner, omfördela sandmassan, och istället för att växa kontinuerligt delas de upp i mindre sanddyner.

    "Detta har föreslagits tidigare, men ingen hade utförligt testat och kartlagt dessa interaktioner, eftersom dynkollisioner tar årtionden att hända i terrestra öknar, ", sa Franklin. "Att utnyttja det faktum att undervattensbarchans är små och rör sig mycket snabbare, vi genomförde experiment i en hydrodynamisk kanal gjord av transparent material, med turbulent vattenflöde som bildar och transporterar par av barchans medan en kamera filmade processen. Vi identifierade för första gången de fem grundläggande typerna av binär interaktion."

    I experimenten, forskarna varierade oberoende av var och en av parametrarna som var involverade i problemet, såsom korndiameter, täthet och rundhet, vattenflödeshastighet, och initiala förhållanden. Bilderna som förvärvades bearbetades av dator med hjälp av en numerisk kod skriven av forskarna. Baserat på resultaten, de föreslog två kartor som gav en allmän klassificering av möjliga interaktioner.

    "Våra experiment visade att när en binär kollision inträffar, barchan som ursprungligen låg nedströms, dvs framför, drev ut en sanddyn med ungefär samma massa som barchan uppströms, dvs bakom, " sa Franklin. "Första intrycket var att barchan uppströms passerade över den andra barchan som en våg, men användningen av färgade korn hjälpte oss att visa att detta inte hände. Faktiskt, uppströms barchan gick in i nedströms barchan, som blev för stor och släppte en massa som var mer eller mindre lika med den mottagna massan."

    Interaktioner mellan de två barchanerna involverade i princip två mekanismer. Den ena var störningen i vätskan, som gick förbi uppströms barchan, accelererade och påverkade nedströms barchan, som urholkades. Detta kallas "vakningseffekten". Den andra var kollisionen där de kolliderande barchanernas korn smälte samman.

    "Våra experimentella data visade att dessa två mekanismer orsakade fem typer av barchan-barchan-interaktion, " sa Franklin. "Med tanke på att hastigheten på en dyn är omvänt proportionell mot dess storlek, de enklaste två är vad vi kallar att jaga och slå samman."

    Chasing uppstår när de två barchanerna är ungefär lika stora och erosion på grund av wake-effekten gör att nedströms dynen minskar i storlek. De två barchanerna rör sig sedan med samma hastighet och förblir på ett konstant avstånd från varandra. Sammanslagning sker när uppströms barchan är mycket mindre än nedströms barchan. Erosion orsakad av kölvattnet minskar inte avsevärt storleken på uppströmsdynen, så att barchanerna kolliderar och smälter samman, bildar en enda dyn.

    Den tredje typen av interaktion är utbyte, vilket är mer komplicerat. "Utbyte sker när uppströms barchan är mindre än nedströms barchan, men inte mycket mindre. Här, för, uppströmsdynen hinner med nedströmsdynen och de kolliderar. När de gör det, den mindre dynen stiger upp och breder ut sig över den större. Under denna process, dock, vätskeflödet, som avböjs av den nya dynen, eroderar kraftigt framsidan av dynen, som skjuter ut en ny dyn. Eftersom den är mindre och dyker upp nedströms, den nya dynen rör sig snabbare och en lucka öppnar sig mellan de två dynerna, " sa Franklin.

    De två sista typerna av interaktion inträffar när vätskeflödet är mycket starkt. "Det vi kallar "fragmenteringsjagande" är när sanddynerna är av olika storlek. Väckningseffekten på nedströmsdynen är så stark att den delar sig i två. Båda de resulterande dynerna är mindre än uppströmsdynen. Resultatet är tre sanddyner. med mellanrum som ökar mellan dem. Den sista typen är 'fragmentation-exchange', som är liknande. Skillnaden är att uppströmsdynen når nedströmsdynen innan dess uppdelning i två är klar, " sa Franklin.

    De fem typerna är lätta att förstå i den medföljande videon. Faktiskt, forskarna kunde konstruera typologin tack vare det visuella stödet från filmerna som beskrivs i artikeln. "Våra resultat, erhålls för undervattensbarchans som var centimeter långa och utvecklades på minuter, avsevärt främja förståelsen av dynamiken och bildningen av denna typ av sanddyner, " sa Franklin. "Genom skallagar, de gör det möjligt för oss att överföra resultaten till andra miljöer, där storlekarna är större och tidsrymden längre. Att förstå Mars förflutna eller projicera dess avlägsna framtid, som båda för närvarande är av intresse för forskare, skulle kunna underlättas avsevärt av dessa fynd." Barchans är halvmåneformade sanddyner vars två horn är vända i vätskeflödets riktning. De förekommer i olika miljöer, såsom inuti vattenrör eller på flodbäddar, där de tar formen av tio centimeters krusningar, och öknar, där de kan överstiga 100 meter, och Mars yta, där de kan vara en kilometer långa eller mer. Om deras storlek varierar mycket, det gör också den tid de tar att formas och interagera. Storleksordningarna sträcker sig från en minut för små barchans i vatten till ett år för stora ökenformationer och ett millennium för jättarna på Mars.

    De bildas av interaktionen mellan flödet av en vätska, såsom gas eller vätska, och granulärt material, typically sand, under predominantly unidirectional flow conditions. 

    "What's interesting is the similarity of their formation and interaction dynamics, regardless of size. Som ett 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. 

    Studien, 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. Baserat på 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. Här, för, 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 denna process, dock, 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. Faktiskt, 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."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com