Подуха от вятъра
Има много героични истории за Ервин Ромел. Военните романтици казват, че генерал-фелдмаршалът от Африканския корпус е загубил битката срещу генерал Монтгомъри, единствено виновен за факта, че британците са изключително силни в Северна Африка. В действителност поражението на „пустинната лисица“ при Ел Аламаин може да се отдаде на човек на име Ралф Баньолд. Британският гренадир беше обсебен от пустинята - той вече пътуваше през Либия и Египет с преустроени превозни средства през 20-те години. Баньолд познаваше пясъчното море като опакото на ръката си. Докато германските войски могат да предприемат само определени безопасни маршрути със своите танкове, британските специални командвания под ръководството на Баньолд пресичат най-гъстите полета на дюните. Може би Ромел би имал шанс, ако беше прочел класическата книга на Багнолд, публикувана през 1941 г., за физиката на издухването на пясък и движещите се дюни.
60 години по-късно британският пионер по дюните намери достоен наследник: Ханс Юрген Херман, професор в Института за компютърни приложения към Университета в Щутгарт. Приключението е изписано на лицето на Херман: загарена кожа, разрошена от вятъра коса и здрава тридневна брада. Но физикът, който е роден в Куба и е израснал в Колумбия, който е изследвал и преподавал в Париж в продължение на 17 години, не се бори срещу чужди сили, а срещу хаоса в кабинета си. Тук има безброй проби пясък от цял свят - и много други ронливи неща, върху които 49-годишният изследва физиката на гранулираните среди. Ако е необходимо, монети също могат да го направят: Херман ги е закрепил между две стъклени плочи - и по този начин показва, че малки стотинки се плъзгат между големи парчета марка. Можете също така да изберете да използвате центове и евро. Същият ефект е виновен за факта, че в шоколадовите мюсли дебелите, нежни оризови пръчици винаги се стичат първо от опаковката и трябва да чакате толкова дълго за вкусните шоколадови чипове.
Обикновено експериментите на Херман не се провеждат в лабораторията, а в компютъра. Преди четири години той беше първият, който симулира на компютъра как височината, дебитът на пясъка и скоростта на вятъра са свързани в така наречените сърпови дюни - една от около сто форми на дюни. Всъщност трите свързани диференциални уравнения с две променливи не само дадоха някои хубави резултати - като по-опростените симулации от други колеги преди - но и такива, които бяха в хармония с природата. Това предизвика фурор в професионалния свят и наскоро донесе на Herrmann наградата Max Planck Research, надарена със 125 000 евро.
Преди две години, по време на експедиции до Мароко и Бразилия, Херман провери дали дюните в дивата природа действително се държат като техните цифрови двойници. Изследванията му потвърждават, че дължината, ширината и височината на сърповите дюни винаги се променят пропорционално. Херман също записва как скоростта на вятъра се държи над профила на дюните и как влагата влияе върху вискозитета на пясъка. В дъждовния сезон сърповите дюни могат да обърнат формата си - вятърът тогава духа във вътрешната арка на сърпа. Самият Херман беше изумен, че симулациите му дават далеч по-точни резултати от най-добрите измервателни уреди. Това се дължи на факта, че измерванията в дюните - например скоростта на вятъра и транспорта на материали - могат да се извършват само с широка мрежа, тъй като дюните са големи и измервателните устройства са скъпи, което ограничава техния брой. Така че измерванията са само селективни и изследователите се интерполират между тях. Това прави данните неточни. В компютърната симулация, от друга страна, параметрите за всяка точка могат да бъдат изчислени по всяко време. Може също да се каже: „Изчислителната мрежа“ е по-тясно свързана и следователно по-точна от „измервателната мрежа“ в природата.
Професорът от Щутгарт изследва друго явление на живо. Ралф Баньолд вече беше забелязал по време на обиколките си в пустинята, че от определена скорост на вятъра - около 18 километра в час, както знаем само днес - дюна се издига над дюната
се създава пясъчен воал с височина около пет сантиметра. В тази така наречена солта, пясъчните зърна се изсмукват от въздушните вихри и се ускоряват от вятъра. След определено разстояние те отново падат и избиват нови зърна.
В своите алгоритми Херман оставя милиарди зърна пясък да летят едновременно във въздуха: Това, което отнема няколко години в природата, работи на високопроизводителните компютри за няколко часа. След това видеоклип обобщава процеса отново до няколко секунди. Пясъчната каскада може да бъде изследвана и в аеродинамичен тунел, казва Херман, но операторите на такива системи - например колегите от съседния Институт за статика и динамика на аерокосмическите конструкции - не са ентусиазирани, когато пясъкът попадне в предавките на скъпите им тунели. Херман иска да продължи - дори без скъпи експерименти: „Квантовата физика се разбира, природата не.“
Например, дълго време не беше ясно дали дюна е солитон в математически смисъл. Ако случаят беше такъв, две дюни ще трябва да проникнат една в друга, без да си взаимодействат - като вълни, когато хвърлите два камъка във водата. Наблюденията на изследователите на дюните първоначално говорят в полза на теорията за солитона: Когато малка, бърза дюна срещне голяма, бавна дюна отзад, малка дюна отпред оставя пясъчния пакет след известно време - сякаш е изпреварила големия си брат.
Ако Херман остави симулациите да се изпълняват като филм, дори неспециалистът веднага ще види, че това наблюдение е измамно. По-скоро съществува един вид дюнен канибализъм: малката дюна гризе гърба на голямата, докато стане толкова голяма, колкото самата тя. Тя губи скорост в процеса. Предната дюна бърза като малка дюна след „диетата“ си, понякога в краищата на сърпа възникват малки бебешки дюни. „Компютърните изчисления са важни, защото често противоречат на интуицията“, рекламира Херман. Испанските инженери, които преди 40 години построиха 20-километрова конвейерна лента за транспортиране на фосфат от Западна Сахара до мароканското крайбрежие, през средата на поле с хиляди сърпови дюни, също могат да ви кажат нещо или две за това. Тъй като искаха да бъдат умни, те поставиха конвейра на кокили с височина 15 метра, за да могат дюните с височина до 10 метра да се гмуркат отдолу. Но нещата се оказаха по различен начин: дюните се закачиха на кокилите и се натрупаха толкова високо, че съоръжението беше напълно залято с пясък в рамките на няколко години.
Учени от Института за физическа статистика в Париж откриха съвсем различен феномен - песента на дюните, чрез лабораторни тестове. Изследователят Марко Поло се възхищаваше на тези звуци. По света има около 20 такива ревящи дюни. Тонът му е много нисък при 100 херца и при 100 децибела почти толкова силен, колкото отборен чук. Понякога тоновете са груби като шума на двигателя, понякога почти чисти. Стефан Дуади
изследвали дюни в южната част на Мароко, които „пеят“ почти непрекъснато. Той открил, че глината се създава, когато пясъкът се отчупи от гребена на дюната и се плъзне отзад. Плъзгащият се слой е дебел десет сантиметра и се състои от около 500 слоя, в които пясъчните зърна се търкат едно в друго. Тъй като слоевете се плъзгат един по друг синхронно, се създават удивително звучни тонове. „Нашето разбиране все още не е достатъчно, за да симулираме процеса на компютъра“, казва Дуади.
Жителите на Нуакшот, столицата на Мавритания, нямат нищо общо с песента на дюните. Те са постоянно в движение от пясъчните валяци, които се движат до 30 метра годишно. От една страна къщите се погребват под пясъчните маси, от друга страна жителите строят нови. Преградни стени и изкуствено създадена растителност сега трябва да спомогнат за разбиването на силата на дюните. Хората в Сахара не са сами в мизерията си: в Европа има дори дюни, например на германското крайбрежие на Северно море. Но тези пясъчни валяци са фиксирани по такъв начин, че да не застрашават къщи и пътища за движение.
Това, което е благословия за местните жители, има големи недостатъци за природата. Хаим Цоар от университета "Бен Гурион" в Беершева, Израел, откри, че в павираните дюни има по-малко биологично разнообразие. Експертът по дюните също установи, че движещите се дюни действат като гигантски метли и чисти плажове от мръсотия. Поради тази причина хората по целия свят обсъждат отново да извадят павирани дюни от каишката.
Бразилия първа отговори. В северната част на страната огромното поле с дюни Lençoes Marahenses е обявено за природен резерват - печелите добри пари с туристите, които искат да видят природния спектакъл. Ако имате късмет, там ще срещнете и Ханс Херман, който планира да пътува по-често до Бразилия през следващите няколко години. Херман не се забърква с паричните награди - той иска да ги използва за измерване на допълнителни дюни с колеги от университета в Порто Алегре. През септември акцентът е върху влиянието на растителността върху миграцията на дюните. Херман е вмъкнал уравнение в своя изчислителен модел, което отчита това влияние.
Следващото пътуване на Херман е около 60 милиона километра - но на практика само на компютъра. Дестинацията е съседната планета Марс. Херман иска да се опита да изведе състава на пясъка от формата на дюните там. Всичко, от което се нуждаят неговите уравнения като вход, вече е изследвано от космически сонди, например плътността на атмосферата или скоростта на вятъра, която достига над 200 километра в час на червената планета. Този път Ралф Баньолд не му пречи и нито един друг изследовател не е имал идеята. Херман: "Винаги е предизвикателство да бъдеш първият."
Професор от Щутгарт за първи път симулира на компютъра как мигрират дюните.
Всички опити за ограничаване на миграцията на пясък в Сахара досега са били неуспешни.
Симулациите също могат да предоставят информация за пясъка на съседната планета Марс.