Le dune a forma di mezzaluna chiamate barchans sono strutture che compaiono in un'ampia varietà di ambienti, comprese spiagge e deserti, alvei e fondali marini, all'interno di condutture idriche e oleodotti, e sulla superficie di Marte e di altri pianeti sabbiosi con un'atmosfera.

Nonostante le differenze di scala che variano da increspature di 10 centimetri per le dune sottomarine a montagne alte chilometri per le dune marziane, le dinamiche della formazione e del movimento del barchan sembrano essere molto simili ovunque.

La ricerca condotta presso l'Università di Campinas (UNICAMP) in Brasile con il supporto della São Paulo Research Foundation—FAPESP chiarisce la dinamica delle dune acquatiche. I risultati possono anche contribuire a una migliore comprensione della topografia di Marte e quindi aumentare la probabilità di successo nelle missioni su Marte o per l'ottimizzazione e l'economicità dei flussi di petrolio.

"I barchan sono dune a forma di mezzaluna che risultano dall'interazione tra materia granulare, tipicamente sabbia, e il flusso di un fluido come gas o liquido in condizioni di flusso prevalentemente unidirezionali. Le due corna della mezzaluna sono rivolte nella direzione del flusso del fluido, " disse Erick de Moraes Franklin, uno degli autori della ricerca. Lo studio è stato appena pubblicato su Lettere di revisione fisica .

Le loro scoperte contraddicono la spiegazione preferita per l'origine e il movimento di queste strutture, almeno nel caso di dune subacquee (subacquee). "La nostra ricerca mostra che l'emergere delle corna barchan non può essere spiegato dal modello convenzionale, secondo il quale la sabbia si muove prevalentemente in senso longitudinale ed ogni movimento laterale dei granelli è dovuto ad un meccanismo simile alla diffusione. Si suppone che la velocità locale di spostamento della struttura iniziale sia inversamente proporzionale alla sua altezza locale in modo che le parti più basse ai lati del mucchio di sabbia si muovano più velocemente e formino corna. Non è quello che abbiamo osservato sperimentalmente, " disse Franklin.

Quello che lui e Alvarez osservarono in un mezzo liquido fu che i grani si muovevano rotolando e scivolando lungo percorsi circolari. "Le corna sono formate principalmente da grani che migrano dalle regioni a monte alla regione delle corna. La crescita di un barchan subacqueo ha una significativa componente trasversale, che non ha caratteristiche diffusive, " disse Franklin.

Tutti i barchan hanno le stesse proporzioni in termini di rapporto tra lunghezza e altezza e seguono le stesse leggi di movimento, indipendentemente dall'origine o dalla scala. La loro altezza è sempre un decimo della loro lunghezza, Per esempio. Di conseguenza, lo studio condotto nel laboratorio di UNICAMP con dune formate a velocità ultraveloci può aiutare a comprendere le dinamiche del terreno marziano, come come si sono evolute le dune giganti del Pianeta Rosso e come appariranno tra migliaia di anni.

Secondo Franklin, la formazione e il movimento di un barchan subacqueo risultano dall'interazione complementare o contraddittoria di tre fattori:flusso del fluido, gravità, e inerzia del grano. Le dune crescono mentre il flusso del fluido sposta i grani dalle regioni più basse a quelle più alte.

La gravità agisce nella direzione opposta, tirando i grani verso il basso e tendendo ad appiattire la duna. inerzia del grano, o più precisamente, la differenza d'inerzia tra i grani e il fluido, determina come i grani interagiscono con il fluido. Se l'inerzia del grano è molto maggiore dell'inerzia del fluido, il movimento del grano è più lento del movimento del fluido. Invece di stabilirsi sulla cuspide della duna, i grani si depositano in una regione inferiore a valle.

"La complicazione è che il fluido è un mezzo continuo il cui moto può essere descritto da equazioni differenziali note, e i fisici sanno risolverli, mentre i grani costituiscono un mezzo discontinuo. Una duna contiene miliardi di grani. La scala è proprio questa, nell'ordine del miliardo. Inoltre, i grani sono tutti diversi tra loro, "Franklin ha spiegato.

"Finora, è stato impossibile descrivere il moto di tutti i grani con una singola equazione differenziale. Possiamo descriverli chicco per chicco, ma come integrarli tutti alla fine? Di conseguenza, restano aperti alcuni interrogativi sulla dinamica delle dune. Una di queste domande è perché un mucchio di cereali, qualunque sia la sua forma, si evolve per formare un barchan, una duna a forma di mezzaluna. In altre parole, perché le due corna?"

Dinamiche di formazione

Tra i vari tipi di dune, si sa che un barchan si forma quando il moto di un fluido (il vento nel deserto o il flusso dell'acqua in un fiume, Per esempio, avviene in media in un'unica direzione di flusso. Possono esserci variazioni occasionali, ma in termini statistici, prevale una sola direzione di flusso. Visto dall'alto, questo tipo di duna ricorda una lettera C. Questa forma significa che il fluido si sta muovendo dal lato convesso verso le corna, le doppie punte del C.

La novità nei risultati di questo studio è legata alla dinamica della formazione delle corna. Il vecchio modello presumeva che ogni grano si muovesse balisticamente, come un proiettile che descrive una parabola nel piano verticale, e nella stessa direzione del fluido. In moto unidirezionale, le parti inferiori si muovono più velocemente poiché la loro velocità è inversamente proporzionale all'altezza locale. Quindi, si formano le due corna. L'esperimento dei ricercatori di UNICAMP, però, ha mostrato che non è così, almeno non in acqua.

"Abbiamo eseguito un esperimento con grani di vetro sotto un flusso d'acqua turbolento. Utilizzando una telecamera ad alta velocità in grado di registrare circa mille immagini al secondo, abbiamo filmato il movimento della pila dall'alto e prodotto un'enorme quantità di immagini, " disse Franklin.

"Il passo successivo è stato creare un programma per computer che aprisse il film immagine per immagine e identificasse ogni particella che si era mossa. Monitorando i grani, siamo stati in grado di tracciare i grani che formavano le corna e i percorsi che seguivano. Abbiamo scoperto che non si muovevano tutti in un'unica direzione, come ipotizzato dal vecchio modello. La maggior parte di esse scorreva intorno alla pila iniziale con un movimento circolare, ed è così che hanno preso forma le corna."

Franklin ha sottolineato che la scoperta si applica alle dune formate in un mezzo liquido, ma non necessariamente a dune formate in un mezzo gassoso. La spiegazione fisica della possibile differenza è semplice e interessante, ha notato. "Il modello precedente era basato sulle dune eolie, soprattutto dune del deserto. La densità dell'aria è di circa un chilogrammo per metro cubo. La densità di un granello di sabbia è 2, 500 kg/m ³ . Questa è una differenza di grandezza di 103, il che significa che per spostare un granello di sabbia nel deserto, l'aria deve muoversi molto velocemente. Così veloce che quando sposta un granello, il grano viene lanciato su una traiettoria balistica come un proiettile, "Franklin ha spiegato.

"Il grano sale di circa un metro e descrive una curva parabolica. La direzione del volo è la direzione principale del flusso. Quindi, il moto complessivo è infatti unidirezionale. Però, l'acqua è mille volte più densa dell'aria a 1, 000 kg/m ³ . Ciò significa che l'acqua e il granello di sabbia sono nello stesso ordine di grandezza, quindi il flusso d'acqua può spostare il grano mentre si muove molto più lentamente. Mentre lo fa, il grano segue grosso modo il moto dell'acqua. L'acqua scorre intorno al palo in un percorso circolare, e così anche i cereali."

L'esperimento ha mostrato che il modello precedente, che era ritenuta una verità assoluta, non si applica a tutti i casi. "Questo apre un intero dibattito sul fenomeno, "Ha detto. "Dovranno essere fatti esperimenti con le dune eolie per confermare se in questo caso, il modello precedente è effettivamente valido. Forse lo è, ma forse non lo è. C'è molto interesse per l'argomento a causa delle missioni su Marte. Una piccola differenza tra le dune marziane potrebbe suggerire che in passato c'era acqua nella regione".

Oltre alle possibili applicazioni a lungo termine, il pompaggio del petrolio greggio è un'applicazione molto più immediata per i risultati della ricerca. Il petrolio greggio è per lo più estratto da giacimenti contenenti sabbia e acqua, così i barchan si formano all'interno delle condutture e rallentano il flusso di petrolio, facendo lievitare i costi di produzione. Inoltre, la sabbia si accumula in certi punti, e la rimozione è difficile. Una comprensione più profonda della formazione delle dune è indispensabile per risolvere questo problema.