Физики обнаружили, что песчаные дюны могут "общаться" друг с другом

Несмотря на то, что они являются неодушевленными объектами, песчаные дюны могут "общаться" друг с другом. Команда из Кембриджского университета обнаружила, что во время движения песчаные дюны взаимодействуют со своими соседями по течению и отталкивают их.

Используя экспериментальную дюну "гоночная трасса", исследователи заметили, что две идентичные дюны начинаются близко друг от друга, но со временем они все больше и больше отдаляются друг от друга. Это взаимодействие контролируется турбулентными вихрями из верхней дюны, которые отталкивают нижнюю дюну. Результаты, представленные в журнале Physical Review Letters, являются ключевыми для изучения долгосрочной миграции дюн, которая угрожает судоходным каналам, усиливает опустынивание и может похоронить инфраструктуру, такую как 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 речном дне или морском дне, редко встречаются изолированно и вместо этого 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 если дюны в пределах поля взаимодействуют друг с другом.

“Есть разные теории о взаимодействии дюн: одна из них заключается в том, что дюны разных размеров будут сталкиваться и продолжать сталкиваться, пока они не образуют одну гигантскую дюну, хотя это явление еще не наблюдалось в природе. Другая теория заключается в том, что дюны могут сталкиваться и обмениваться массой, как бильярдные шары, отскакивающие друг от друга, пока они не станут одинакового размера и не будут двигаться с одинаковой скоростью, но мы должны проверить эти теории экспериментально”, - сказал Кароль Бачик, кандидат философии в Кембридже на кафедре прикладной математики и теоретической физики и первый автор статьи.

“Мы открыли физику, которая раньше не была частью модели”, - говорит доктор Натали Вайнд, которая возглавляла исследования.

Большая часть работ по моделированию поведения песчаных дюн выполняется численно, но Вайнд и члены ее лаборатории спроектировали и построили уникальную экспериментальную установку, которая позволяет им наблюдать их долговременное 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 желоб, так что дюны можно наблюдать в течение нескольких часов, когда желоб вращается, в то время как высокоскоростные камеры позволяют им отслеживать поток отдельных частиц в дюнах.

Физики изначально не собирались изучать взаимодействие между двумя дюнами.

“Первоначально я поместил несколько дюн в резервуар просто для ускорения сбора данных, но мы не ожидали увидеть, как они начали взаимодействовать друг с другом”, - поясняют ученые.

Две дюны начинались с одинакового объема и одинаковой формы. Как только поток начал двигаться через две дюны, они начали двигаться. Поскольку ученым известно, что скорость дюны связана с ее высотой, они ожидали, что две дюны будут двигаться с одинаковой скоростью. Однако это оказалось не так.

Первоначально передняя дюна двигалась быстрее, чем задняя, но по мере продолжения эксперимента передняя Дюна начала замедляться, пока две дюны не начали двигаться почти с одинаковой скоростью.

Принципиально, что картина течения через эти две дюны была замечена различной: поток отклоняется передней дюной, создавая "завихрения" на задней дюне и отталкивая ее. 

"Передняя Дюна генерирует турбулентную картину, которую мы видим на задней дюне. Структура течения за передней дюной подобна следу за лодкой и влияет на свойства следующей дюны”, - поясняют исследователи.

По мере продолжения эксперимента дюны расходились все дальше и дальше, пока не образовали равновесие на противоположных сторонах круглого желоба, оставаясь на расстоянии 180 градусов друг от друга.

Следующим этапом исследований является поиск количественных данных о крупномасштабной и сложной миграции дюн в пустынях с использованием наблюдений и спутниковых снимков. Отслеживая скопления дюн в течение длительных периодов времени, ученые смогут выяснить, являются ли меры по отклонению миграции дюн эффективными или нет.