Запропоновано теорію, яка пояснює, чому визначається розмір гігантських дюн в пустелі • Юрій Ерін • Новини науки на "Елементи" • Фізика, Науки про Землю, Математика

Запропоновано теорію, яка пояснює, чому визначається розмір гігантських дюн в пустелі

Мал. 1. Масштаби гігантських дюн для різних вітрових режимів: a – поперечні дюни пустелі Бадин-Джаран (Китай), b – дюни в формі півмісяця Атлантичної Сахари (Марокко), з – поздовжні дюни пустелі Руб-ель-Халі (південно-східна частина Аравійського півострова), d – зіркоподібні дюни пустелі Великий Східний Ерг (Grand Erg Oriental) в Алжирі. жовтими секторами показані переважаючі напрямки вітрів в пустелі. Знімки з обговорюваної статті вNature

Відомо, що зростання гігантських дюн відбувається за рахунок поглинання дрібніших дюн і, здавалося б, ніщо не заважає приймати їм як завгодно великі розміри. Французьким вченим з Лабораторії фізики і механіки неоднорідних середовищ у співпраці з дослідниками з США і Алжиру вдалося встановити, що цей процес обмежений глибиною так званого приповерхневого атмосферного шару, який визначає характер перебігу повітря над гігантськими дюнами.

Формування дюн в пустелі починається з якогось невеликого горбка, на підвітряного стороні якого відбувається завихрення повітря і утворюється як би невелика воронка. У міру надходження з вітром нових порцій піску горбок і воронка ростуть.Так з'являються дюни, які мають зіркоподібну форму або форму півмісяця. Надалі вони будуть збільшуватися в розмірах і повільно рухатися під дією і за направленням переважаючих вітрів. Відповідно до цієї теорії, в процесі свого руху дюни можуть накопичувати пісок як завгодно довго і вирости до нескінченних розмірів, аби вистачило піску. Абсурдність цієї теорії очевидна: достовірно відомо, що максимальна висота дюн обмежена кількома сотнями метрів. До речі, рекордсменом є китайська пустеля Бадин-Джаран (Badain Jaran): деякі дюни там досягають просто-таки величезних висот – близько 500 метрів.

Попутно зауважимо, що якщо вітри в пустелі дмуть в різних напрямках, то з піску формуються хаотичні гряди дюн. Якщо ж в розі вітрів існує певний напрям, то дюни можуть утворити періодичну структуру (див. Рис. 1), що нагадує хвилясту поверхню моря або океану з характерним відстанню між вершинами таких піщаних хвиль близько кілометра.

Виникає закономірне питання: що ж все-таки обмежує зростання гігантських дюн? В одному з останніх випусків журналу Nature французькі вчені з Лабораторії фізики і механіки неоднорідних середовищ в співдружності з дослідниками з США і Алжиру опублікували статтю Giant aeolian dune size determined by the average depth of the atmospheric boundary layer, в якій роблять спробу вирішити цю проблему (у відкритому доступі стаття перебуває тут).

Вчені запропонували теорію утворення гігантських дюн, яка враховує не тільки взаємодія дюн і пустельних вітрів, але і взаємодія дюн з так званим приповерхневим атмосферним шаром. У цьому шарі відбувається активне конвекційне перемішування мас повітря, що приводить до нелінійного збільшення температури з висотою. Товщина цього шару коливається від ста метрів взимку до декількох кілометрів влітку (рис. 2b). Вище приповерхневих шар «накритий» тонким інверсійним шаром з уже лінійним зміною температури. І лише потім починається ділянку атмосфери, де спостерігається зниження температури повітря з висотою, добре відоме всім, хто літав на літаку.

Що змусило вчених припустити, що зростання дюн обмежується процесами в поверхневому атмосферному шарі? Підставою для такої гіпотези послужила виявлена ​​ними цікава кореляція між двома величинами – відстанню λ між вершинами гігантських дюн (незалежно від того, якої вони форми) і δθ/γ, де δθ – середньорічне зміна температури повітря на поверхні пустелі, а γ – температурний градієнт, що задає зміну температури повітря з висотою в инверсионном шарі (див. Рис. 2). Дані для встановлення такої залежності були зібрані по 34 пустелях в різних куточках земної кулі (докладніше див. Стор. 11-12 додаткових матеріалів до статті, вони знаходяться у відкритому доступі).

λ між вершинами гігантських дюн в різних пустелях як функція зміни середньорічної температури δθ. Суцільна лінія відповідає графіку функції λ = δθ/γ. зміна температури δθ усереднено за семирічний період спостережень: з 2000-го по 2007 рік. b – температурний профіль атмосфери θ (z), який вимірюється в полудень в аеропорту Сулаель (Саудівська Аравія) в різні пори року (сині кола: 27/07/1978, квадрати: 22/10/1978, ромби: 01/12/1977, трикутники: 12/02/1978). Нелінійна залежність температури з висотою задає висоту приповерхневого атмосферного шару H. Вище H починається інверсійний шар, для якого температурний профіль (γ) є лінійним і дорівнює 4 К / км. Мал. з обговорюваної статті в Nature "border = 0>Мал. 2. a – відстань λ між вершинами гігантських дюн в різних пустелях як функція зміни середньорічної температуриδθ. Суцільна лінія відповідає графіку функції λ = δθ/γ. зміна температуриδθ усереднено за семирічний період спостережень: з 2000-го по 2007 рік. b – температурний профіль атмосфериθ(z), Який вимірюється в полудень в аеропорту Сулаель (Саудівська Аравія) в різні пори року (сині кола: 27/07/1978, квадрати: 22/10/1978, ромби: 01/12/1977, трикутники: 12/02/1978). Нелінійна залежність температури з висотою задає висоту приповерхневого атмосферного шаруH. вищеH починається інверсійний шар, для якого температурний профіль (γ) Є лінійним і дорівнює 4 К / км. Мал. з обговорюваної статті вNature

Але з іншого боку, ставлення δθ/γ, Яке наводиться все в тих же допоміжних матеріалах, приблизно дорівнює максимальній висоті приповерхневого шару H. Таким чином, стає очевидним, що процеси в цьому шарі, завдяки якимсь механізмам, до сих пір залишалися нез'ясованими, причетні до обмеження зростання дюн.

Для того щоб зрозуміти ці механізми, вчені побудували відповідну їхньою гіпотезою аеродинамічну модель: періодично розташовані піщані пагорби заввишки a, Над якими знаходиться шар повітря висотою H. У цьому при поверхневому шарі, завдяки конвекції і вітровим процесам, спостерігається турбулентний плин повітря (число Рейнольдса складало в моделі 108). Вся система накривається більш «спокійним», тобто стабільним в плані перемішування повітря інверсійним шаром. Чисельний розрахунок на підставі рівнянь Нав'є-Стокса показав, що періодичний рельєф з дюн збуджує повітряні хвилі (автори статті називають ці хвилі поверхневими) на кордоні розділу приповерхневого і инверсионного шару, які в свою чергу змінюють швидкість вітру, а значить, і керують процесом акумуляції піску дюнами.

Далі відбувається наступне: як тільки завдяки вітру відстань між дюнами стає порівнянним з H, Поверхневі хвилі ущільнюють і обмежують протягом повітря над їхніми вершинами. Внаслідок цього дюни перестають накопичувати пісок, і зростання піщаного пагорба зупиняється. На рис. 3 представлений графічний результат чисельного моделювання – залежність висоти дюн a від відстані між їх вершинами. На графіку неважко помітити максимум (пік), що означає з фізичної точки зору, що, дійсно, як тільки λ і H стають порівнянними, то дюна в процесі свого росту досягає максимальної висоти.

Мал. 3. Висота дюнa як функція відстані між нимиλ (Обидві величини виміряні щодо висоти приповерхневого шаруH), Передбачена аеродинамічній моделлю з урахуванням наявності приповерхневого атмосферного шару (чорна крива) І без нього (зелена пряма). кола відповідають експериментальним даним. Максимум на чорній кривої означає, що присутність приповерхневого шару обмежує протягом повітря над вершинами дюн, якщо довжина поверхневих хвиль порівнянна з відстанню між дюнами. В цьому випадку система "дюни плюс приповерхневих шар" приходить в рівновагу: дюни не збільшують свою висоту, а поверхневі хвилі в свою чергу не змінюють відстань між їх вершинами. І навіть якщо в силу якихось причин ця величина зміниться (система пройде положення максимуму на графіку), то піщані пагорби просто зменшать свою висоту настільки, щоб знову перебувати в стані рівноваги з приповерхневих шаром. Мал. з обговорюваної статті вNature

Щоб ще краще зрозуміти, як працює обговорювана тут теорія, розглянемо приклад: в пустелі Наміб висота дюн досягає 60-240 метрів.У додаткових матеріалах до статті знаходимо інформацію про цю пустелі: для неї δθ/γ ≈ 1,5 км, а значить, приблизно такої ж товщини і приповерхневих атмосферне шар H ≈ 1,5 км, відстань між вершинами дюн λ ≈ 2,2 км. Таким чином, ставлення λ/H ≈ 1,5. З графіка на рис. 3 неважко знайти, що висота дюн a в одиницях H повинна бути близько 0,15, звідси маємо максимальну висоту, яку можуть досягти дюни в цій пустелі, – 225 метрів; це значення близьке до реально спостерігається (до 240 метрів).

Між іншим, ця ж модель пояснює і освіту дюн з мулу на дні річки (відповідні розрахунки наведені в допоміжних матеріалах до обговорюваної статті). Тільки нестабільного приповерхневих шару тут відповідає товща води, поверхневі хвилі – це гравітаційні хвилі на поверхні річки, а «спокійний» інверсійний шар – це атмосфера. Якісно залежність висоти мулових дюн від відстані між ними не буде відрізнятися – просто положення максимуму на графіку виявляється іншим.

В кінці статті автори зауважують, що запропонований ними механізм формування дюн, мабуть, повинен діяти і на інших планетах і їх супутники, зокрема на Марсі і Титані.

джерело: Bruno Andreotti, Antoine Fourrière, Fouzia Ould-Kaddour, Brad Murray, Philippe Claudin. Giant aeolian dune size determined by the average depth of the atmospheric boundary layer // Nature. V. 457. P. 1120-1123.

Юрій Ерін


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: