En teori foreslås forklaret, hvad der bestemmer størrelsen på de kæmpe klitter i ørkenen • Yuri Erin • Videnskabsnyheder om "Elements" • Fysik, Jordvidenskab, Matematik

Der foreslås en teori, der forklarer, hvad der bestemmer størrelsen på de store klitter i ørkenen.

Fig. 1. Skala af kæmpe klitter til forskellige vindmønstre: en – tværgående klitter i Badyn-Jaran ørkenen (Kina) b – klitter i form af halvmåne af Atlanterhavet Sahara (Marokko) med – langsgående klitter i Rub al-Khali ørkenen (sydøstlige del af den arabiske halvø) d – De stjernede klitter i Grand Erg Oriental Desert i Algeriet. Gule sektorer De gældende vindretninger i ørkenen er vist. Snapshots fra diskuteret artikel inatur

Det er kendt, at væksten af ​​gigantiske klitter forekommer på grund af absorptionen af ​​mindre klitter, og det ser ud til, intet forhindrer dem i at tage vilkårligt store størrelser. Franske forskere fra laboratoriet for fysiske og mekaniske inhiogene medier i samarbejde med forskere fra USA og Algeriet fandt, at denne proces er begrænset af dybden af ​​det såkaldte nærliggende atmosfæriske lag, som bestemmer luftstrømmenes karakter over gigantiske klitter.

Duneformationen i ørkenen begynder med en lille smule højhøjde, på leewardsiden, hvor der er en turbulens af luft og en slags små tragtformer. Med ankomsten af ​​nye portioner af sand med vinden vokser højen og tragten.Så der er klitter, der er stjerneformede eller halvmåneformede. I fremtiden vil de stige i størrelse og bevæge sig langsomt under handlingen og i retning af de fremherskende vinde. Ifølge denne teori kan klitterne i løbet af deres bevægelse akkumulere sand i en vilkårlig lang tid og vokse til uendelig størrelse, hvis der kun er tilstrækkelig sand. Denne teoriers absurditet er indlysende: det er pålideligt kendt, at klitternes maksimale højde er begrænset til flere hundrede meter. Forresten er pladeselskabet den kinesiske ørken Badain-Jaran (Badain Jaran): nogle klitter når der enorme højder – omkring 500 meter.

Vi bemærker i forbifarten, at hvis vindene i ørkenen blæser i forskellige retninger, dannes der kaotiske højder af klitter fra sandet. Hvis der er en bestemt retning i vindrosen, kan klitterne danne en periodisk struktur (se figur 1), der minder om den bølgende overflade af et hav eller hav med en karakteristisk afstand på ca. en kilometer mellem toppen af ​​sådanne sandbølger.

Et naturligt spørgsmål opstår: Hvad begrænser væksten af ​​kæmpe klitter? I et af de seneste udgaver af bladet natur Franske forskere fra Laboratoriet for Fysik og Mekanik ved Inhomogene Medier i samarbejde med forskere fra USA og Algeriet har udgivet en artikel, der forsøger at løse dette problem (artiklen er tilgængelig her).

Forskere har foreslået teorien om dannelse af kæmpe klitter, der tager ikke kun hensyn til samspillet mellem klitterne og ørkenvindene, men også samspillet mellem klitterne og det såkaldte nærliggende atmosfæriske lag. I dette lag er der en aktiv konvektionsblanding af luftmasser, hvilket fører til en ikke-lineær stigning i temperatur med højde. Tykkelsen af ​​dette lag varierer fra hundrede meter om vinteren til flere kilometer om sommeren (figur 2b). Ovenfor er underlaget lagret med et tyndt inversionslag med en allerede lineær temperaturændring. Og først begynder atmosfæren, hvor der er et fald i lufttemperaturen med højde, velkendt for alle, der fløj på et fly.

Hvad førte forskere til at foreslå, at klitvækst begrænses til processer i det nærliggende atmosfæriske lag? Grunden til denne hypotese var den nysgerrige sammenhæng mellem de to mængder, de opdagede – afstanden λ mellem de store klitters højder (uanset hvilken form de er) og δθ/γhvor δθ – den gennemsnitlige årlige ændring i lufttemperaturen på ørkenens overflade og γ – Temperaturgradient, som bestemmer ændringerne i lufttemperaturen med højden i inversionslaget (se fig. 2). Data for at etablere et sådant forhold blev indsamlet fra 34 ørkener i forskellige dele af verden (for flere detaljer, se s. 11-12 af yderligere materialer til artiklen, de er offentligt tilgængelige).

λ mellem toppe af gigantiske klitter i forskellige ørkener som en funktion af ændringen i gennemsnitlige årlige temperaturer δθ. Den faste linje svarer til funktionsgrafen. λ = δθ/γ. Temperaturændring δθ i gennemsnit over den syvårige observationsperiode: fra 2000 til 2007. b – atmosfærisk temperaturprofil θ (z) målt til middag på Sulael lufthavn (Saudi Arabien) på forskellige tidspunkter af året (blå cirkler: 27/07/1978, kvadrater: 10/22/1978, rhombusser: 01/12/1977, trekanter: 12/02/1978). Den ikke-lineære temperaturafhængighed med højden indstiller højden af ​​det nærliggende atmosfæriske lag H. Over H begynder et inversionslag, for hvilket temperaturprofilen (γ) er lineær og lig med 4 K / km. Fig. fra den diskuterede artikel i Nature "border = 0>Fig. 2. en – afstand λ mellem toppe af gigantiske klitter i forskellige ørkener som en funktion af ændringen i gennemsnitlige årlige temperaturerδθ. Den faste linje svarer til funktionsgrafen. λ = δθ/γ. Temperaturændringδθ i gennemsnit over den syvårige observationsperiode: fra 2000 til 2007. b – atmosfærens temperaturprofilθ(z) målt i middagstid på Sulael Lufthavn (Saudi Arabien) på forskellige tidspunkter af året (blå cirkler: 27/07/1978, firkanter: 22/10/1978, diamanter: 01/12/1977, trekanter: 12/02/1978). Ikke-lineær temperaturafhængighed med højde indstiller højden af ​​det nærliggende atmosfæriske lag.H. højereH et inversionslag begynder, for hvilket temperaturprofilen (γ) er lineær og lig med 4 K / km. Fig. fra den pågældende artikelnatur

Men på den anden side holdningen δθ/γsom er givet alle i de samme hjælpematerialer, omtrent lig med den maksimale højde af overfladelaget H. Det bliver således indlysende, at processerne i dette lag på grund af nogle mekanismer, der stadig er uforklarlige, er involveret i at begrænse væksten af ​​klitterne.

For at forstå disse mekanismer byggede forskerne en aerodynamisk model svarende til deres hypotese: periodisk beliggende sand bakker med en højde enover hvilke der er et lag med lufthøjde H. På grund af konvektions- og vindprocesser observeres der en turbulent luftstrøm i dette underlagslag (Reynolds nummeret i modellen var 108). Hele systemet er dækket af en mere "rolig", det vil sige et stabilt inversionslag i form af luftblanding. Numeriske beregninger baseret på Navier-Stokes-ligningerne viste, at periodisk aflastning fra klitterne vækker luftbølger (forfatterne kalder disse bølgeroverflade) ved grænsefladen mellem nærfladerne og inversionslagene, der igen ændrer vindhastigheden og derfor styrer sandakkumuleringsprocessen. klitterne.

Så sker der følgende: Så snart vinden gør afstanden mellem klitterne sammenlignelig med H, overfladebølger kondenserer og begrænser luftstrømmen over deres toppe. Som følge heraf ophober klitterne ikke længere sand, og væksten i den sandede bakke stopper. I fig. 3 viser det grafiske resultat af numerisk simulering – afhængigheden af ​​klitternes højde. en fra afstanden mellem deres toppe. På grafen er det ikke svært at bemærke et maksimum (peak), hvilket betyder fysisk synspunkt, at så snart som λ og H bliver ligefrem, klitterne i sin vækst når sin maksimale højde.

Fig. 3. Dune højdeen som en funktion af afstanden mellem demλ (begge værdier måles i forhold til overfladelagets højdeH), forudsagt af den aerodynamiske model under hensyntagen til tilstedeværelsen af ​​det nærliggende atmosfæriske lag (sort kurve) uden det (grøn lige). cirkler svarer til de eksperimentelle data. Maksimumet på den sorte kurve betyder, at nærværet af det nærliggende lag begrænser luftstrømmen over klitterne, hvis længden af ​​overfladebølgerne er sammenlignelig med afstanden mellem klitterne. I dette tilfælde kommer "dunes plus nærliggende lag" system til ligevægt: klitterne øger ikke deres højde, og overfladebølgerne ændrer i sin tur ikke afstanden mellem deres toppe. Og selvom denne værdi for en eller anden grund ændres (systemet passerer maksimumspositionen på grafen), så vil sandhullerne simpelthen reducere deres højde for at være i ligevægt med overfladelaget igen. Fig. fra den pågældende artikelnatur

For bedre at forstå hvordan teorien diskuteret her fungerer, overvej et eksempel: i Namib-ørkenen når højden af ​​klitterne 60-240 meter.I yderligere materialer til artiklen finder vi oplysninger om denne ørken: for det δθ/γ ≈ 1,5 km, hvilket betyder at det er omtrent samme tykkelse og nærliggende atmosfæriske lag H ≈ 1,5 km, afstanden mellem toppen af ​​klitterne λ ≈ 2,2 km Så forholdet λ/H ≈ 1,5. Fra grafen i fig. 3 det er let at finde at højden af ​​klitterne en i enheder H den skal være ca. 0,15, herfra har vi den maksimale højde, som klitterne i ørkenen kan nå – 225 meter; denne værdi er tæt på den faktisk observerede (op til 240 meter).

Forresten, forklarer den samme model dannelsen af ​​klitter fra silt i bunden af ​​floden (de tilsvarende beregninger er angivet i støttematerialerne til artiklen under drøftelse). Kun det ustabile overfladelag svarer her til vandkolonnen, overfladebølger er tyngdebølger på overfladen af ​​floden, og det "stille" inversionslag er atmosfæren. Kvalitativt vil afhængigheden af ​​siltdyngernes højde på afstanden mellem dem ikke afvige – bare positionen af ​​maksimumet på grafen er anderledes.

I slutningen af ​​artiklen bemærker forfatterne, at mekanismen til dannelse af klitter, som de har foreslået, synes at være gyldige på andre planeter og deres satellitter, især på Mars og Titan.

Kilde: Bruno Andreotti, Antoine Fourrière, Fouzia Ould-Kaddour, Brad Murray, Philippe Claudin. Den gennemsnitlige dybde af det atmosfæriske grænselag natur. V. 457, s. 1120-1123.

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: