Halvmåneformade sanddyner som kallas barchans är strukturer som förekommer i en mängd olika miljöer, inklusive stränder och öknar, flodbäddar och havsbotten, inuti vattenrör och oljeledningar, och på ytan av Mars och andra sandiga planeter med en atmosfär.

Trots skillnader i skala som varierar från 10-centimeters krusningar för undervattensdyner till kilometerhöga berg för marsdyner, dynamiken i barchans bildning och rörelse verkar vara mycket lika överallt.

Forskning utförd vid University of Campinas (UNICAMP) i Brasilien med stöd av São Paulo Research Foundation—FAPESP klargör dynamiken i vattendyner. Resultaten kan också bidra till en bättre förståelse av Mars topografi och därmed öka sannolikheten för framgång i Mars-uppdrag eller till optimering och kostnadseffektivitet av oljeflöden.

"Barchans är halvmåneformade sanddyner som är resultatet av interaktion mellan granulär materia, vanligtvis sand, och flödet av en vätska såsom gas eller vätska under övervägande enkelriktade flödesförhållanden. Halvmånens två horn är vända i vätskeflödets riktning, " sa Erick de Moraes Franklin, en av författarna till forskningen. Studien har precis publicerats i Fysiska granskningsbrev .

Deras resultat motsäger den föredragna förklaringen för dessa strukturers ursprung och rörelse, åtminstone när det gäller undervattensdyner (undervattensdyner). "Vår forskning visar att uppkomsten av barchanhorn inte kan förklaras av den konventionella modellen, enligt vilken sanden rör sig huvudsakligen i längdriktningen och varje sidorörelse av kornen beror på en mekanism som liknar diffusion. Den lokala förskjutningshastigheten för den ursprungliga strukturen antas vara omvänt proportionell mot dess lokala höjd så att de lägsta delarna vid sidorna av sandhögen rör sig snabbast och bildar horn. Det är inte vad vi observerade experimentellt, " sa Franklin.

Vad han och Alvarez observerade i ett flytande medium var att kornen rörde sig genom att rulla och glida i cirkulära banor. "Hornen bildas huvudsakligen av korn som migrerar från uppströmsregioner till hornens region. Tillväxten av en undervattensbarchan har en betydande tvärgående komponent, som inte har diffusiva egenskaper, " sa Franklin.

Alla barchans har samma proportioner när det gäller förhållandet mellan längd och höjd och följer samma rörelselagar, oavsett ursprung eller skala. Deras höjd är alltid en tiondel av deras längd, till exempel. Som ett resultat, studien som genomfördes i UNICAMPs laboratorium med sanddyner som bildas i ultrasnabba hastigheter kan hjälpa till att förstå dynamiken i Mars terräng, som hur den röda planetens gigantiska sanddyner utvecklades och hur de kommer att se ut om tusentals år.

Enligt Franklin, bildandet och rörelsen av en undervattensbarchan är resultatet av det komplementära eller motsägelsefulla samspelet mellan tre faktorer:vätskeflöde, allvar, och kornströghet. Sanddyner växer när vätskeflödet flyttar korn från lägre till högre regioner.

Tyngdkraften verkar i motsatt riktning, dra ner korn och tenderar att göra dynen plattare. korn tröghet, eller mer exakt, tröghetsskillnaden mellan kornen och vätskan, bestämmer hur kornen interagerar med vätskan. Om korntröghet är mycket större än vätsketröghet, spannmålsrörelse är långsammare än flytande rörelse. Istället för att slå sig ner vid dynkuspen, kornen deponeras i ett lägre nedströms område.

"Komplikationen är att vätskan är ett kontinuerligt medium vars rörelse kan beskrivas med kända differentialekvationer, och fysiker vet hur man löser dem, medan korn utgör ett diskontinuerligt medium. En sanddyn innehåller miljarder spannmål. Skalan är just detta, i storleksordningen en miljard. Dessutom, kornen är alla olika varandra, " förklarade Franklin.

"Än så länge, det har varit omöjligt att beskriva rörelsen för alla korn med en enda differentialekvation. Vi kan beskriva dem korn för korn, men hur kan vi integrera dem alla i slutet? Som ett resultat, flera frågor om dynernas dynamik är fortfarande öppna. En av dessa frågor är varför en hög med spannmål, oavsett form, utvecklas för att bilda en barchan, en halvmåneformad dyn. Med andra ord, varför de två hornen?"

Dynamik i bildning

Bland de olika typerna av sanddyner, en barchan är känd för att bildas när en vätskas rörelse (vinden över öknen eller vattenflödet i en flod, till exempel, sker i genomsnitt i en enda flödesriktning. Det kan förekomma enstaka variationer, men i statistiska termer, endast en flödesriktning råder. Sett uppifrån, den här typen av sanddyner liknar bokstaven C. Denna form betyder att vätskan rör sig från den konvexa sidan mot hornen, de dubbla spetsarna på C.

Nyheten i resultaten från denna studie är relaterad till dynamiken i hornbildning. Den gamla modellen antog att varje korn rörde sig ballistiskt, som en projektil som beskriver en parabel i vertikalplanet, och i samma riktning som vätskan. I enkelriktad rörelse, de nedre delarna rör sig snabbare eftersom deras hastighet är omvänt proportionell mot lokal höjd. Därav, de två hornen bildas. Forskarnas experiment vid UNICAMP, dock, visade att så inte är fallet, åtminstone inte i vatten.

"Vi utförde ett experiment med glaskorn under ett turbulent vattenflöde. Med hjälp av en höghastighetskamera som kan spela in cirka tusen bilder per sekund, vi filmade högens rörelse från ovan och producerade en enorm mängd bilder, " sa Franklin.

"Nästa steg var att skapa ett datorprogram som öppnade filmen bild för bild och identifierade varje partikel som hade rört sig. Genom att övervaka kornen, vi kunde spåra kornen som bildade hornen och stigarna de följde. Vi upptäckte att de inte alla rörde sig i en enda riktning, som antagits av den gamla modellen. De flesta av dem flödade runt den första högen i en cirkulär rörelse, och det var så hornen tog form."

Franklin betonade att upptäckten gäller sanddyner som bildats i ett flytande medium, men inte nödvändigtvis till dyner som bildats i ett gasformigt medium. Den fysiska förklaringen till den möjliga skillnaden är enkel och intressant, noterade han. "Den tidigare modellen var baserad på eoliska sanddyner, särskilt ökendyner. Luftens densitet är ungefär ett kilo per kubikmeter. Densiteten för ett sandkorn är 2, 500 kg/m ³ . Det är en skillnad i magnitud på 103, vilket innebär att förskjuta ett sandkorn i öknen, luften måste röra sig mycket snabbt. Så snabbt att när det tränger undan ett korn, spannmålet avfyras på en ballistisk bana som en projektil, " förklarade Franklin.

"Kornet stiger ungefär en meter och beskriver en parabolisk kurva. Flygriktningen är flödets huvudriktning. Alltså, den övergripande rörelsen är verkligen enkelriktad. Dock, vatten är tusen gånger tätare än luft vid 1, 000 kg/m ³ . Det betyder att vatten och sandkorn är i samma storleksordning, så att vattenflödet kan förskjuta spannmålet samtidigt som det rör sig mycket långsammare. När det gör det, säden följer ungefär vattnets rörelse. Vattnet rinner runt högen i en cirkulär bana, och det gör kornen också."

Experimentet visade att den tidigare modellen, som ansågs vara en absolut sanning, gäller inte i alla fall. "Detta öppnar upp en hel diskussion om fenomenet, ", sa han. "Experiment måste göras med eoliska sanddyner för att bekräfta om i detta fall, den tidigare modellen är verkligen giltig. Kanske det är, men det är det kanske inte. Det finns ett stort intresse för ämnet på grund av Mars-uppdragen. En liten skillnad mellan sanddynerna på mars kan tyda på att det fanns vatten i regionen tidigare."

Utöver möjliga tillämpningar på lång sikt, Råoljepumpning är en mycket mer omedelbar tillämpning för forskningsresultaten. Råolja utvinns mestadels från reservoarer som innehåller sand och vatten, så att barchans bildas inuti rörledningar och bromsar oljeflödet, driva upp produktionskostnaderna. Dessutom, sanden byggs upp på vissa ställen, och borttagning är svårt. En djupare förståelse för dynbildning är oumbärlig för att lösa detta problem.