Источник:
Кембриджский университет
Даже будучи неодушевленными объектами, песчаные дюны могут «общаться» друг с другом. Команда из Кембриджского университета обнаружила, что по мере движения песчаные дюны взаимодействуют со своими соседями по течению и отталкивают их.
Используя экспериментальный дюнный «ипподром», исследователи обнаружили, что две одинаковые дюны начинаются близко друг от друга, но со временем они все больше и больше отдаляются друг от друга. Это взаимодействие контролируется турбулентными вихрями от верхней дюны, которые отталкивают нижнюю дюну. Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, являются ключевыми для изучения долгосрочной миграции дюн, которая угрожает судоходным каналам, усиливает опустынивание и может похоронить такую как инфраструктуру,автомагистрали.
Когда куча песка подвергается воздействию ветра или потока воды, она образует форму дюны и начинает двигаться вниз по течению вместе с потоком. Песчаные дюны, будь то в пустынях, на дне рек или морском дне, редко встречаются изолированно и обычно появляются большими группами, образуя поразительные узоры, известные как дюнные поля или коридоры.
Хорошо известно, что активные песчаные дюны мигрируют. Вообще говоря, скорость дюны обратно пропорциональна ее размеру: меньшие дюны движутся быстрее, а большие-медленнее. Что не было понято, так это то, как и как дюны в пределах поля взаимодействуют друг с другом.
«Существуют различные теории взаимодействия дюн: одна из них заключается в том, что дюны разных размеров будут сталкиваться и продолжать сталкиваться, пока не образуют одну гигантскую дюну, хотя это явление еще не наблюдалось в природе»
, — сказал Кароль Бачик, кандидат наук в Кембридже на кафедре прикладной математики и теоретической физики и первый автор статьи.
— Другая теория состоит в том, что дюны могут сталкиваться и обмениваться массой, подобно бильярдным шарам, отскакивающим друг от друга, пока они не станут одинакового размера и не начнут двигаться с одинаковой скоростью, но нам нужно проверить эти теории экспериментально.»
Теперь Бацик и его коллеги из Кембриджа показали результаты, которые ставят под сомнение эти объяснения.
-Мы открыли физику, которая раньше не входила в модель,
— сказала доктор Натали Вриенд, возглавлявшая исследования.
Большая часть работы по моделированию поведения песчаных дюн выполняется численно, но Вриенд и сотрудники ее лаборатории спроектировали и построили уникальную экспериментальную установку, которая позволяет им наблюдать их долгосрочное поведение. Заполненные водой желоба являются обычным инструментом для изучения движения песчаных дюн в лабораторных условиях, но дюны можно наблюдать только до тех пор, пока они не достигнут конца резервуара. Вместо этого Кембриджские исследователи построили круговой канал, так что дюны можно наблюдать в течение нескольких часов, когда канал вращается, в то время как высокоскоростные камеры позволяют им отслеживать поток отдельных частиц в дюнах.
Бацик изначально не собирался изучать взаимодействие между двумя дюнами:
» Первоначально я поместил несколько дюн в резервуар просто для ускорения сбора данных, но мы не ожидали увидеть, как они начнут взаимодействовать друг с другом»
Две дюны начинались с одинакового объема и одинаковой формы. Когда поток начал двигаться через две дюны, они начали двигаться.
«Поскольку мы знаем, что скорость дюны связана с ее высотой, мы ожидали, что две дюны будут двигаться с одинаковой скоростью», — сказал Вриенд- Однако это не то, что мы наблюдали.»
Сначала передняя Дюна двигалась быстрее, чем задняя, но по мере продолжения эксперимента передняя Дюна начала замедляться, пока две дюны не стали двигаться почти с одинаковой скоростью.
Важно отметить, что картина течения через две дюны была различной: поток отклоняется передней дюной, создавая «завихрения» на задней дюне и отталкивая ее.
— Передняя Дюна создает картину турбулентности, которую мы видим на задней дюне, — сказал Вриенд. «Структура течения за передней дюной подобна кильватеру за лодкой и влияет на свойства следующей дюны.»
По мере продолжения эксперимента дюны все больше и больше отдалялись друг от друга, пока не образовали равновесие на противоположных сторонах круглого желоба, оставаясь на расстоянии 180 градусов друг от друга.
Следующим этапом исследований является поиск количественных свидетельств крупномасштабной и сложной миграции дюн в пустынях с использованием наблюдений и спутниковых снимков. Отслеживая скопления дюн в течение длительных периодов времени, мы можем наблюдать, являются ли меры по отклонению миграции дюн эффективными или нет.
