I ricercatori dell’Università di Campinas hanno condotto più di 120 esperimenti con dune fino a 10 cm che interagiscono per alcuni minuti, ottenendo un modello valido per le dune sulla superficie di Marte che sono lunghe molti chilometri e impiegano più di mille anni per interagire.
Le Barchans sono dune di sabbia a forma di mezzaluna le cui due corna sono rivolte in direzione del flusso del fluido. Si presentano in ambienti diversi, come all’interno di tubi d’acqua o sui letti dei fiumi, dove assumono la forma di ondulazioni di dieci centimetri, e nei deserti, dove possono superare i 100 metri, e sulla superficie di Marte, dove possono essere lunghe un chilometro o più. Se le loro dimensioni variano molto, varia anche il tempo che impiegano a formarsi e ad interagire. Gli ordini di grandezza vanno da un minuto per le piccole barchan in acqua a un anno per le grandi formazioni desertiche e a un millennio per le gigantesche Barchans su Marte.
Sono formate dall’interazione tra il flusso di un fluido, come gas o liquido, e la materia granulare, tipicamente sabbia, in condizioni di flusso prevalentemente unidirezionale.
“Ciò che è interessante è la somiglianza della loro formazione e delle dinamiche di interazione, indipendentemente dalle dimensioni. Di conseguenza, possiamo studiare i barchan acquatici in laboratorio per fare previsioni sull’evoluzione delle dune di Lençóis Maranhenses un ecosistema costiero nel nord-est del Brasile o per indagare le origini della topografia nella regione di Hellespontus su Marte”, ha detto Erick Franklin, ricercatore e professore presso la Scuola di Ingegneria Meccanica dell’Università di Campinas nello stato di San Paolo, Brasile.
Lavorando con il suo dottorando Willian Righi Assis, Franklin ha eseguito più di 120 esperimenti e ha identificato cinque tipi fondamentali di interazione tra barchans.
Lo studio, condotto interamente all’UNICAMP, è in un articolo pubblicato sulla rivista Geophysical Research Letters. È stato sostenuto dal FAPESP attraverso una borsa di studio per giovani ricercatori di Fase 2 assegnata a Franklin e una borsa di studio diretta per il dottorato assegnata ad Assis.
Un aspetto sorprendente dell’argomento è che, oltre ad avere una forma robusta che appare in molti ambienti diversi, le barchans formano tipicamente corridoi in cui le loro dimensioni sono all’incirca le stesse. L’analisi delle singole dune suggerisce che dovrebbero crescere all’infinito, diventando sempre più grandi, ma non è così. Una spiegazione per le loro dimensioni caratteristiche in un dato ambiente è che le interazioni binarie, specialmente le collisioni, ridistribuiscono la massa di sabbia, e invece di crescere continuamente si suddividono in dune più piccole.
“Questo è stato proposto in passato, ma nessuno aveva testato e mappato a fondo queste interazioni, poiché le collisioni dunari impiegano decenni per accadere nei deserti terrestri”, ha detto Franklin. “Approfittando del fatto che le barchan subacquee sono piccole e si muovono molto più velocemente, abbiamo condotto esperimenti in un canale idrodinamico fatto di materiale trasparente, con un flusso d’acqua turbolento che forma e trasporta coppie di barchan mentre una telecamera filmava il processo. Abbiamo identificato per la prima volta i cinque tipi fondamentali di interazione binaria”.
Negli esperimenti, i ricercatori hanno variato indipendentemente ciascuno dei parametri coinvolti nel problema, come il diametro della grana, la densità e la rotondità, la velocità del flusso d’acqua e le condizioni iniziali. Le immagini acquisite sono state elaborate al computer utilizzando un codice numerico scritto dai ricercatori. Sulla base dei risultati, hanno proposto due mappe che hanno fornito una classificazione generale delle possibili interazioni.
“I nostri esperimenti hanno mostrato che quando si verifica una collisione binaria, il barchan che era originariamente a valle, cioè davanti, espelleva una duna di una massa approssimativamente uguale a quella del barchan a monte, cioè dietro”, ha detto Franklin. “La prima impressione è stata che la barchan a monte passasse sopra l’altra barchan come un’onda, ma l’uso di grani colorati ci ha aiutato a dimostrare che non è accaduto questo. In realtà, la barchan a monte è entrata nella barchan a valle, che è diventata troppo grande e ha rilasciato una massa più o meno uguale alla massa ricevuta”.
Le interazioni tra i due barchan comportavano fondamentalmente due meccanismi. Uno era il disturbo causato nel fluido, che bypassava la barchan a monte, accelerava e impattava la barchan a valle, che erodeva. Questo è chiamato “effetto scia“. L’altro era la collisione in cui i grani dei barchan in collisione si sono fusi.
“I nostri dati sperimentali hanno dimostrato che questi due meccanismi hanno causato cinque tipi di interazione barchan-barchan”, ha detto Franklin. “Tenendo presente che la velocità di una duna è inversamente proporzionale alla sua dimensione, i due più semplici sono quelli che chiamiamo inseguimento e fusione”.
L’inseguimento si verifica quando le due barchan hanno all’incirca le stesse dimensioni e l’erosione dovuta all’effetto di scia fa diminuire le dimensioni della duna a valle. Le due barchan si muovono quindi alla stessa velocità e rimangono a distanza costante l’una dall’altra. La fusione avviene quando la barchan a monte è molto più piccola di quella a valle. L’erosione causata dalla scia non diminuisce sostanzialmente le dimensioni della duna a monte, per cui le barchan si scontrano e si fondono, formando un’unica duna.
Il terzo tipo di interazione è lo scambio, che è più complicato.
“Lo scambio avviene quando la barchan a monte è più piccola della barchan a valle, ma non molto più piccola. Anche in questo caso, la duna a monte raggiunge la duna a valle e si scontrano. Così facendo, la duna più piccola sale e si diffonde su quella più grande. Durante questo processo, tuttavia, il flusso di fluido, che viene deviato dalla nuova duna, erode fortemente la parte anteriore della duna, che espelle una nuova duna. Poiché è più piccola ed emerge a valle, la nuova duna si muove più velocemente e si apre un varco tra le due dune”, ha detto Franklin.
Gli ultimi due tipi di interazione avvengono quando il flusso di fluido è molto forte. “Quello che chiamiamo ‘inseguimento della frammentazione‘ è quando le dune sono di dimensioni diverse. L’effetto di scia sulla duna a valle è così forte che si divide in due. Entrambe le dune risultanti sono più piccole della duna a monte. Il risultato sono tre dune con spazi vuoti che si allargano tra di loro.
L’ultimo tipo è “frammentazione-scambio“, che è simile. La differenza è che la duna a monte raggiunge la duna a valle prima che la sua divisione in due sia completa”, ha detto Franklin.
https://t.me/video_macchinadeltempo/483
I cinque tipi sono facili da capire nel video qui sopra. Infatti, i ricercatori sono stati in grado di costruire la tipologia grazie al supporto visivo offerto dai filmati descritti nell’articolo.
“I nostri risultati, ottenuti per le barchan subaquee che erano lunghe centimetri e si sono sviluppate in pochi minuti, fanno progredire in modo significativo la comprensione delle dinamiche e della formazione di questo tipo di dune”, ha detto Franklin. “Attraverso le leggi di scala, ci permettono di trasporre i risultati in altri ambienti, dove le dimensioni sono più grandi e i tempi più lunghi”. La comprensione del passato di Marte o la proiezione del suo lontano futuro, entrambe cose che attualmente sono di interesse per gli scienziati, potrebbero essere molto facilitate da questi risultati”.