I barchan sono dune di sabbia a forma di mezzaluna le cui due corna sono rivolte nella direzione del flusso del fluido. Appaiono in ambienti diversi, come all'interno di condutture idriche o sui letti dei fiumi, dove prendono la forma di increspature di dieci centimetri, e deserti, dove possono superare i 100 metri, e la superficie di Marte, dove possono essere lunghi un chilometro o più. Se le loro dimensioni variano notevolmente, così fa il tempo che impiegano per formarsi e interagire. Gli ordini di grandezza vanno da un minuto per i piccoli barchan in acqua a un anno per le grandi formazioni desertiche e un millennio per i giganti su Marte.

Sono formati dall'interazione tra il flusso di un fluido, come gas o liquido, e materia granulare, tipicamente sabbia, in condizioni di flusso prevalentemente unidirezionali.

"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 sulle origini della topografia nella regione di Hellespontus su Marte, " ha detto Erick Franklin, un ricercatore e professore presso la Scuola di Ingegneria Meccanica dell'Università di Campinas (FEM-UNICAMP) nello stato di San Paolo, Brasile.

Lavorando con il suo dottorato di ricerca. studente Willian Righi Assis, Franklin eseguì più di 120 esperimenti e identificò cinque tipi fondamentali di interazione tra i barchan.

Lo studio, condotto interamente presso UNICAMP, è riportato in un articolo pubblicato sulla rivista Lettere di ricerca geofisica . È stato sostenuto da FAPESP tramite un Young Investigator Grant di Fase 2 assegnato a Franklin e una borsa di studio di dottorato diretta assegnata ad Assis.

Un aspetto sorprendente dell'argomento è che oltre ad avere una forma robusta che appare in molti ambienti diversi, i barchan tipicamente formano corridoi in cui le loro dimensioni sono approssimativamente le stesse. L'analisi delle singole dune suggerisce che dovrebbero crescere indefinitamente, diventando sempre più grande, ma questo non è il caso. Una spiegazione per la loro dimensione caratteristica in un dato ambiente è che le interazioni binarie, soprattutto collisioni, ridistribuire la massa di sabbia, e invece di crescere continuamente si suddividono in dune più piccole.

"Questo è stato proposto in passato, ma nessuno aveva ampiamente testato e mappato queste interazioni, poiché le collisioni tra le dune impiegano decenni per verificarsi nei deserti terrestri, " disse Franklin. " Approfittando del fatto che i barchan subacquei sono piccoli e si muovono molto più velocemente, abbiamo condotto esperimenti in un canale idrodinamico in materiale trasparente, con un flusso d'acqua turbolento che forma e trasporta coppie di barchan mentre una telecamera filma 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 del grano, densità e rotondità, velocità del flusso d'acqua, e condizioni iniziali. Le immagini acquisite sono state elaborate al computer utilizzando un codice numerico scritto dai ricercatori. In base ai 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 originariamente era a valle, cioè davanti, espulso una duna di massa approssimativamente uguale a quella del barchan a monte, cioè dietro, " disse Franklin. "La prima impressione fu che il barchan a monte passasse sopra l'altro barchan come un'onda, ma l'uso di grani colorati ci ha aiutato a dimostrare che ciò non è accaduto. In realtà, il barchan a monte entrava nel barchan a valle, che è diventato troppo grande e ha rilasciato una massa più o meno uguale alla massa ricevuta."

Le interazioni tra i due barchan implicavano fondamentalmente due meccanismi. Uno era il disturbo causato nel fluido, che aggirava il barchan a monte, accelerato e impattato il barchan a valle, che ha eroso. Questo è chiamato "effetto scia". L'altro era la collisione in cui si fondevano i grani dei barchans in collisione.

"I nostri dati sperimentali hanno mostrato che questi due meccanismi hanno causato cinque tipi di interazione barchan-barchan, " disse Franklin. "Tenendo presente che la velocità di una duna è inversamente proporzionale alla sua dimensione, i due più semplici sono ciò che chiamiamo inseguimento e fusione."

L'inseguimento si verifica quando i due barchan hanno all'incirca le stesse dimensioni e l'erosione dovuta all'effetto scia fa diminuire le dimensioni della duna a valle. I due barchan si muovono quindi alla stessa velocità e rimangono a una distanza costante l'uno dall'altro. La fusione avviene quando il barchan a monte è molto più piccolo del barchan a valle. L'erosione causata dalla scia non riduce sostanzialmente le dimensioni della duna a monte, così che i 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 il barchan a monte è più piccolo del barchan a valle, ma non molto più piccolo. Qui, pure, la duna a monte raggiunge la duna a valle e si scontrano. Mentre lo fanno, la duna più piccola sale e si estende su quella più grande. Durante questo processo, però, il flusso del fluido, che viene deviato dalla nuova duna, erode fortemente la parte anteriore della duna, che espelle una nuova duna. Perché è più piccolo ed emerge a valle, la nuova duna si muove più velocemente e si apre un varco tra le due dune, " disse Franklin.

Gli ultimi due tipi di interazione si verificano quando il flusso del fluido è molto forte. "Ciò che chiamiamo 'caccia alla frammentazione' è quando le dune sono di dimensioni diverse. L'effetto 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 che si allargano tra loro. L'ultimo tipo è "scambio di frammentazione", 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, " disse Franklin.

I cinque tipi sono facili da capire nel video allegato. Infatti, i ricercatori hanno potuto costruire la tipologia grazie al supporto visivo offerto dai filmati descritti nell'articolo. "I nostri risultati, ottenuto per barche subacquee lunghe centimetri e sviluppate in pochi minuti, far avanzare significativamente la comprensione della dinamica e della formazione di questo tipo di duna, " disse Franklin. "Attraverso leggi di scala, ci permettono di trasporre i risultati in altri ambienti, dove le dimensioni sono più grandi e i tempi più lunghi. Comprendere il passato di Marte o proiettare il suo lontano futuro, entrambi sono attualmente di interesse per gli scienziati, potrebbe essere notevolmente facilitato da questi risultati." I Barchan sono dune di sabbia a forma di mezzaluna le cui due corna sono rivolte nella direzione del flusso del fluido. Appaiono in ambienti diversi, come all'interno di condutture idriche o sui letti dei fiumi, dove prendono la forma di increspature di dieci centimetri, e deserti, dove possono superare i 100 metri, e la superficie di Marte, dove possono essere lunghi un chilometro o più. Se le loro dimensioni variano notevolmente, così fa il tempo che impiegano per formarsi e interagire. Gli ordini di grandezza vanno da un minuto per i piccoli barchan in acqua a un anno per le grandi formazioni desertiche e un millennio per i giganti su Marte.

Sono formati dall'interazione tra il flusso di un fluido, come gas o liquido, e materia granulare, tipicamente sabbia, in condizioni di flusso prevalentemente unidirezionali.

"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 sulle origini della topografia nella regione di Hellespontus su Marte, " ha detto Erick Franklin, un ricercatore e professore presso la Scuola di Ingegneria Meccanica dell'Università di Campinas (FEM-UNICAMP) nello stato di San Paolo, Brasile.

Lavorando con il suo dottorato di ricerca. studente Willian Righi Assis, Franklin performed more than 120 experiments and identified five basic types of interaction between barchans. 

Lo studio, conducted entirely at UNICAMP, is reported in an article published in the journal Geophysical Research Letters. It was supported by FAPESP via a Phase 2 Young Investigator Grant awarded to Franklin and a direct doctorate scholarship awarded to Assis.

A striking aspect of the topic is that as well as having a robust shape that appears in many different environments, barchans typically form corridors in which their sizes are approximately the same. Analysis of individual dunes suggests they should grow indefinitely, becoming steadily larger, but this is not the case. One explanation for their characteristic size in a given environment is that binary interactions, especially collisions, redistribute the mass of sand, and instead of growing continuously they subdivide into smaller dunes.

"This has been proposed in the past, but no one had extensively tested and mapped these interactions, as dune collisions take decades to happen in terrestrial deserts, " Franklin said. "Taking advantage of the fact that underwater barchans are small and move much faster, we conducted experiments in a hydrodynamic channel made of transparent material, with turbulent water flow forming and transporting pairs of barchans while a camera filmed the process. We identified for the first time the five basic types of binary interaction."

In the experiments, the researchers varied independently each of the parameters involved in the problem, such as grain diameter, density and roundness, water flow velocity, and initial conditions. The images acquired were processed by computer using a numerical code written by the researchers. Based on the results, they proposed two maps that supplied a general classification of the possible interactions.

"Our experiments showed that when a binary collision occurs, the barchan that was originally downstream, i.e. in front, expelled a dune of an approximately equal mass to that of the barchan upstream, i.e. behind, " Franklin said. "The first impression was that the upstream barchan passed over the other barchan like a wave, but the use of colored grains helped us show this didn't happen. In realtà, the upstream barchan entered the downstream barchan, which became too large and released a mass more or less equal to the mass received."

Interactions between the two barchans basically involved two mechanisms. One was the disturbance caused in the fluid, which bypassed the upstream barchan, accelerated and impacted the downstream barchan, which eroded. This is termed the "wake effect". The other was the collision in which the colliding barchans' grains merged. 

"Our experimental data showed that these two mechanisms caused five types of barchan-barchan interaction, " Franklin said. "Bearing in mind that the velocity of a dune is inversely proportional to its size, the simplest two are what we call chasing and merging."

Chasing occurs when the two barchans are roughly the same size and erosion due to the wake effect makes the downstream dune decrease in size. The two barchans then move at the same velocity and remain at a constant distance from each other. Merging happens when the upstream barchan is much smaller than the downstream barchan. Erosion caused by the wake does not substantially decrease the size of the upstream dune, so that the barchans collide and merge, forming a single dune.

The third type of interaction is exchange, which is more complicated. "Exchange happens when the upstream barchan is smaller than the downstream barchan, but not much smaller. Qui, pure, the upstream dune catches up with the downstream dune and they collide. As they do so, the smaller dune ascends and spreads over the larger one. Durante questo processo, però, the fluid flow, which is deflected by the new dune, strongly erodes the front of the dune, which ejects a new dune. Because it is smaller and emerges downstream, the new dune moves faster and a gap opens up between the two dunes, " Franklin said.

The last two types of interaction happen when fluid flow is very strong. "What we call 'fragmentation-chasing' is when the dunes are of different sizes. The wake effect on the downstream dune is so strong that it splits into two. Both the resulting dunes are smaller than the upstream dune. The result is three dunes with gaps widening between them. The last type is 'fragmentation-exchange', which is similar. The difference is that the upstream dune reaches the downstream dune before its division into two is complete, " Franklin said.

The five types are easy to understand in this video. In fact, the researchers were able to construct the typology thanks to the visual support afforded by the movies described in the article. "Our results, obtained for subaqueous barchans that were centimeters in length and developed in minutes, significantly advance the understanding of the dynamics and formation of this type of dune, " Franklin said. "Through laws of scale, they enable us to transpose the findings to other environments, where sizes are larger and timespans longer. Understanding the past of Mars or projecting its distant future, both of which are currently of interest to scientists, could be greatly facilitated by these findings."