Der englische Dichter William Blake beschwor die Leser bekanntermaßen, „die Welt in einem Sandkorn zu sehen“. Im Journal Physics of Fluids, veröffentlicht von AIP Publishing, haben Wissenschaftler der University of Campinas (Brasilien) und der University of California in Los Angeles genau das getan: Sie untersuchten die Granulardynamik der Entstehungsweise von sichelförmigen Sanddünen.
Diese Formationen werden als Sicheldünen bezeichnet und häufig in verschiedenen Größen und unter verschiedenen Bedingungen beobachtet – von fingerlangen Dünen auf dem Meeresboden über stadiongroße Dünen in den Wüsten der Erde bis hin zu kilometergroßen Dünen auf der Marsoberfläche.
Bis jetzt fehlten jedoch Berechnungen des Wachstums und der Entwicklung von Sicheldünen im Maßstab der Körnchen selbst.
„In der Natur könnten diese Dünen auf der Erde Jahre brauchen, um sich zu bilden, oder tausende Jahre, um sich auf dem Mars zu entwickeln, daher wurden in den letzten Jahrzehnten numerische Simulationen in großen Maßstäben durchgeführt“, sagte der Co-Autor Erick Franklin. „Berechnungen, die jedes Körnchen verfolgen, waren fast unmöglich. Unsere Ergebnisse zeigen, wie man Simulationen durchführt, mit denen man gleichzeitig die Morphologie von Sicheldünen, die Bewegungen der Körnchen und Details des Fluidstroms auflösen kann, welcher die auf jedes Körnchen wirkenden Kräfte beeinflusst.“
Mit einem CFD-DEM-Modell (Computational Fluid Dynamics/Discrete Element Method) führten Franklin und seine Kollegen Simulationen durch und wandten die Bewegungsgleichungen auf jedes Körnchen in einem Haufen an, welcher durch einen Fluidstrom deformiert wird.
„Wir untersuchten die verschiedenen Parameter, die an den numerischen Berechnungen beteiligt sind, indem wir umfangreiche Simulationen mit kleinen Dünen in aquatischen Umgebungen nutzten, und sie mit Experimenten verglichen. Wir zeigten die Wertebereiche für die korrekte Berechnung von Sicheldünen bis hin in den Maßstab der Körnchen“, sagte Franklin. „Diese Studie hilft dabei, den Weg zu ebnen für weitere Untersuchungen der Kräfteübertragung innerhalb der Dünen und der Körnchenbewegungen – und für die Hochskalierung, so dass mit höherer Rechenkapazität jetzt größere Dünen untersucht werden können.“
Obwohl Sicheldünen auf dem Mars und der Erde von Wind beeinflusst werden und über viel größere Zeit- und Längenskalen auftreten als jene in aquatischen Umgebungen, die nur in Minuten und Zentimetern auftreten, teilen sie viele ähnliche Dynamiken.
„Mit unseren Ergebnissen können Forschungsgruppen jetzt umfangreiche Rechenkapazitäten nutzen, um Sicheldünen anderswo zu simulieren, die über Jahrzehnte oder Jahrtausende auftreten“, sagte Franklin. „Das ist relevant für Geophysiker, Hydrologen, Klimaforscher und Ingenieure, weil es helfen wird, die Zukunft von Sicheldünenfeldern auf der Erde und auf dem Mars genau vorherzusagen und einen Bericht über ihre Entwicklungsgeschichten zu geben.“
(THK)
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