Wanderdünen sind Einzelgänger
Stuttgarter Physiker simulieren im Rechner, wie sich Sanddünen beim Wandern überholen.
Wanderdünen sind Einzelgänger
Stuttgarter Physiker simulieren im Rechner, wie sich Sanddünen beim Wandern überholen.
Stuttgart - Über zehn Meter hoch und bis zu 100 Meter lang ziehen sich Wanderdünen durch windige Wüsten der Erde. Mehrere zehn Meter können die sandigen Sicheldünen, auch Barchans genannt, pro Jahr zurücklegen. Da kleinere Dünen bei gleichen Windbedingungen deutlich schneller wandern als größere, kommt es regelmäßig zu Kollisionen der mobilen Sandmassen. Dabei verschmelzen zwei Dünen nicht zwangsläufig zu einer größeren, sondern können sich scheinbar gegenseitig überholen. Stuttgarter Physiker konnten diese Naturbeobachtung nun in einem mathematischen Modell belegen, das sie in der Fachzeitschrift "Nature" erläutern.
"Wir lösten die Bewegungsgleichungen, die die Vorgänge bei einem Aufprall einer kleineren Barchan-Düne auf eine davor liegende, größere beschreiben", berichten Veit Schwämmle und Hans J. Herrmann von der Universität Stuttgart. Abhängig von der absoluten Höhe der kleineren Düne und dem Höhenunterschied zwischen beiden Sandsicheln liefert das theoretische Modell mehrere Szenarien für diese sanfte Kollision. Beobachtungen von echten Sanddünen legen nahe, dass diese Fälle auch tatsächlich in der Natur auftreten können.
Wie sich Sanddünen beim Wandern überholen, lässt sich im Rechner simulieren. (Quelle: H. Herrmann/ICA1, Stuttgart)
So kann eine schnelle Wanderdüne in der Tat komplett von der deutlich größeren, aber trägeren Vorläuferdüne einverleibt werden; sie muss dafür im Vergleich nur klein genug sein. Interessanter erweist sich dagegen ein Szenario mit zwei Dünen, eine 7,5 Meter, die andere 14,25 Meter hoch. Bei einem ersten Blick auf die berechneten Kollisionssequenzen (Zeitraum: 1,42 Jahre) scheint die kleinere Düne den größeren Vorläufer zu überholen. Beide Dünen wirken danach in Form und Größe nahezu unverändert. Tatsächlich bleiben die Maße beider Dünen annähernd erhalten, obwohl sie große Mengen ihrer Sandkörner austauschten. Denn beim Aufprall von hinten bremst die kleinere Düne ab und wird während einer komplexen Hybridphase quasi vom Wind mit dem Sand der größeren Düne angefüttert. Parallel verliert die vordere Düne an Material, wird kleiner und irgendwann auch deutlich schneller als die aufprallende Düne. Die Folge: Sie löst sich aus dem Hybridverband und wandert nach vorne weg. Eine Bestätigung für dieses Modell findet sich darin, dass der Kamm der hinteren Düne selbst nie den vorderen Dünenkamm überholt.
Ein Sonderfall für kleine Höhenunterschiede bei mittleren Dünenhöhen ist eine Art "Brutprozess": Nach dem Aufprall und der Bildung der Hybridstruktur wachsen an jedem Sichelarm zwei deutlich kleinere "Babydünen" heran und setzen ihren Weg selbstständig fort. Solche Barchans konnte in der Casma-Region in Peru schon beobachtet werden.
Da die Erforschung der Dünen am "echten" Objekt wegen der langwierigen Prozesse nur schwerlich durchzuführen wäre, stehen mathematischen Modelle im Mittelpunkt der Dünenforschung. Doch erst kürzlich entwickelten französische Forscher auch ein Miniatur-Experiment, um Dünenphänomene im Labor nachzustellen (s. u.). Dabei zeigte sich, dass winzige Glaskügelchen in einem Wasserglas unter einer regelmäßigen Strömung ein vergleichbares Verhalten zeigten.
Jan Oliver Löfken
Weitere Infos:
- Originalveröffentlichung:
V. Schwämmle, H. J. Herrmann, Solitary wave behaviour of sand dunes, Nature 426, 619 (2003). - Preprint:
V. Schwämmle, H. J. Herrmann, A Model of Barchan Dunes Including Lateral Shear Stress (submitted to European Physical Journal, E):
http://arxiv.org/abs/cond-mat/0304695 - Kontakt:
Veit Schwämmle, http://www.ica1.uni-stuttgart.de/~veit/
Hans Herrmann, http://www.ica1.uni-stuttgart.de/~hans/ - Institute for Computational Physics, Stuttgart:
http://www.ica1.uni-stuttgart.de - Dünenforschung, Uni Stuttgart:
http://www.ica1.uni-stuttgart.de/~hans/dunes.html - Labor für statistische Physik, ENS, Paris:
http://www.lps.ens.fr/index.ang.html - Physik der Sanddünen:
http://www.lps.ens.fr/~hersen/ - Weitere Forschungsartikel auf pro-physik.de finden Sie in der Rubrik Forschung.
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