Учёные изучают движение песчаных дюн для борьбы с опустыниванием

Стефани Макнамара работает на дюне в Чили, где исследователи установили различные виды препятствий. Автор: Stephanie McNamara

Летом 2024 года Стефани Макнамара впервые увидела Национальный парк Великие песчаные дюны в южном Колорадо. Этот парк представляет собой настоящий памятник песку, где дюны простираются на 30 квадратных миль и возвышаются почти на 750 футов, что делает их самыми высокими подобными образованиями в Северной Америке.

Макнамара, аспирант по геофизике в Университете Колорадо в Боулдере, недавно присоединилась к проекту по изучению таких природных объектов. Но одно дело — читать о дюнах, и совсем другое — испытать их на себе.

«У нас есть так называемые саллитирующие зерна — мелкие песчинки, которые перескакивают по поверхности дюны. Ты чувствуешь их на своих ногах, а потом внезапно они оказываются у тебя во рту, — рассказала Макнамара. — Пока не окажешься в дюнном поле, трудно представить себе всё, что летает в воздухе».

Аспирант является частью исследовательской группы под руководством Натали Вринд, доцента кафедры машиностроения Пола М. Рэди в Университете Колорадо в Боулдере. Среди прочих вопросов лаборатория изучает, как дюны развиваются с течением времени — смещаются и перемещаются по ландшафту через процессы, подобные тем, что царапали ноги Макнамары.

Научно-фантастический роман «Дюна» и его недавние экранизации происходят в основном на вымышленной планете Арракис — пустынном мире, где песок простирается бесконечно во всех направлениях. Но дюны в изобилии встречаются даже на такой водной планете, как Земля. Песчаные дюны занимают примерно 5% площади суши нашей планеты. Они находятся на шести континентах и бывают всех форм и размеров. Самые распространенные дюны, барханы, имеют форму полумесяца, в то время как другие похожи на звезды или крепостные стены. Некоторые дюны даже поют.

Как и дюны в национальном парке, эти образования неумолимо, а иногда и упрямо, живут своей жизнью.

Понимание того, как именно движутся дюны, стало насущной задачей, заявила Вринд. Мир становится жарче и суше, а пустыни по всему миру расширяются, поглощая дома, сельскохозяйственные угодья и даже целые деревни.

Исследовательская группа Вринд использует различные инструменты, включая георадар и компьютерное моделирование, чтобы раскрыть физику и математику, управляющие дюнами. Команда в конечном итоге хочет ответить на насущный вопрос: могут ли люди эффективно смещать или даже останавливать движение крупнейших дюн планеты?

«Здесь, в США, мы столкнулись с этой проблемой 100 лет назад, во время Пыльного котла, когда пыль и песок опустошали фермы и полностью уничтожали урожаи, — отметила Вринд. — Мы до сих пор сталкиваемся с этой проблемой, и в результате нам необходимо понимать, как движется осадочный материал, как он транспортируется».

Песни пустыни

У Вринд был свой момент открытия в начале её времени в качестве докторанта Калифорнийского технологического института в Пасадене.

В рамках исследовательской поездки инженер-механик поднялась на вершину одной из знаменитых поющих дюн пустыни Мохаве. Эти дюны создают жутковалый гул, который может разноситься на много миль во всех направлениях.

«Я помню, как спускалась по этой дюне, и этот звук начал гудеть на пустынной равнине, и всё моё тело начало вибрировать, — рассказала Вринд, которая пришла в Университет Колорадо в Боулдере в 2022 году. — Быть крошечной частью большого, огромного ландшафта, такого как дюнный ландшафт, очень смиряет».

Годы спустя Вринд и её научный руководитель в Калтехе Мелани Хант помогли раскрыть, что заставляет поющие дюны петь — это связано с тем, как вибрируют небольшие песчаные лавины, скользящие по склону дюны.

Вринд и её бывший аспирант Карол Бачик обобщили состояние науки о динамике дюн в статье, опубликованной в Annual Review of Fluid Mechanics.

Она отметила, что физика, лежащая в основе крупных дюн, удивительно сложна.

«Если [песок] лежит на вашей руке, он образует небольшую кучку и является твердым. Затем вы высыпаете его, и он ведет себя как жидкость и течет, — объяснила Вринд. — Если вы подбросите его в воздух, и будет дуть ветер, он улетит как газ».

Исследователи в Чили изучат, могут ли препятствия изменить путь движения дюн. Автор: Stephanie McNamara

Всё это делает отслеживание потока дюн сложной задачей. В зависимости от их размера и преобладающих ветров дюны могут перемещаться от нескольких футов до десятков футов каждый год.

В предыдущем эксперименте Вринд и её коллеги попытались выяснить, что может произойти, когда ветры, дующие на дюну, внезапно меняют направление. Она руководила этим экспериментом в качестве университетского исследовательского сотрудника Королевского общества в Кембриджском университете в Великобритании.

Чтобы смоделировать сложную динамику дюнного поля, команда использовала массивный аппарат под названием круглый лоток. Эта машина представляет собой, по сути, кольцо воды диаметром более 6 футов, которое вращается как проигрыватель. Вращающийся лоток создает подводные течения, которые омывают кучи песка.

Исследователи обнаружили, что почти две трети дюны вообще не движутся во время такого разворота. Вместо этого сдвигается только верхний слой песка, перетекая из одного направления в другое — в некоторой степени как кондитер, который покрывает торт глазурью, а затем снова.

Распространение песка

Для миллионов людей во всем мире эти динамические процессы — не просто материал для научных статей или научно-фантастических блокбастеров. Скорее, они могут стать вопросом выживания, заявила Макнамара.

Например, в Соединенных Штатах песчаные дюны вокруг озера Мичиган поглощают дома, дороги и другую инфраструктуру. В Мавритании песок из пустыни Сахара поглотил целые сообщества и угрожает столице страны Нуакшоту, где проживает около 1,5 миллиона человек.

Эти тенденции, вероятно, будут только ухудшаться в ближайшие десятилетия, добавили исследователи.

Натали Вринд берет образцы с дюны. Автор: Nathalie Vriend

Это связано с тем, что во многих регионах мира пустыни растут и распространяются с угрожающей скоростью — результат сочетания факторов, от потепления температур из-за изменения климата до практики землепользования человеком, такой как вырубка лесов. Согласно одному исследованию, эта быстрая «опустынивание» могла уже затронуть жизни более 200 миллионов человек.

Но могут ли люди эффективно изменить поток дюн — процесс, который продолжался беспрепятственно бесчисленные эпохи?

Люди годами пробовали различные подходы для этого — от установки заборов до посадки растительности. Но у этих стратегий есть ограничения, и некоторые даже могут быть контрпродуктивными. Макнамара, Вринд и их коллеги хотят использовать свои знания о динамике дюн для улучшения этого процесса.

В начале этого года Макнамара отправилась в Чили, где присоединилась к исследователям под руководством Томаса Тревелы в Университете Адольфо Ибаньеса. Они работали на песчаных дюнах вокруг Винья-дель-Мар, сообщества на Тихом океане. Команда установила несколько крупных препятствий, включая шесты с «руками» из нудлов для бассейна, в дюну. Группа сейчас наблюдает за экспериментом, чтобы исследовать, как различные препятствия могут усиливать или останавливать транспортировку песка.

Вринд в настоящее время заново устанавливает круглый лоток в своей лаборатории в кампусе Университета Колорадо в Боулдере — задача по инфраструктуре, поскольку машина весит 400 фунтов.

«Можем ли мы действительно повлиять на то, куда будет мигрировать дюна? — сказала Макнамара. — Что произойдет, если у нас есть дюна, и мы, например, положим перед ней камни?»

Аспирант воочию убедилась, почему такие вопросы так важны, во время исследовательской поездки в июне на индонезийский остров Ява. Там она встретила людей, чьи жизни были перевернуты геологическими катастрофами, включая жителей, которые потеряли свои дома из-за повторяющихся наводнений.

«Человеческое воздействие — это то, что движет моими исследованиями, — поделилась Макнамара. — Это действительно останется со мной — разговоры с этими семьями, видение того, где они живут, рассказы о невозможных решениях, которые им приходится принимать».

Больше информации: Nathalie M. Vriend et al, The Dynamics of Sand Dunes, Annual Review of Fluid Mechanics (2025). DOI: 10.1146/annurev-fluid-112723-062843

Источник: University of Colorado at Boulder