Что заставляет петь песчаную дюну?

Для Марко Поло пустыня может быть жутким местом, наполненным злыми духами. В 13 веке он описал знаменитые поющие пески, которые «время от времени наполняют воздух звуками всех видов музыкальных инструментов, а также ударных и грохота рук». Но низкий, громкий грохот, исходящий из дюны не были делом духов. Они были работой физики.

Когда песчинки скользят по склону некоторых дюн, они создают вибрации, которые можно услышать на многие мили вокруг. Песчаные лавины запускают естественный резонанс дюны, но только когда условия только правильные. Это не может быть слишком влажным, и песчинки должны быть только правильного размера и содержать кремнезем. Только тогда лавина заставит дюны начать петь.

Лавина, сделанная из песка или снега, является примером гранулированного потока, когда твердые частицы текут как жидкости, сталкиваются, подпрыгивают, взаимодействуют, разделяются и снова собираются вместе. Процессы гранулированного потока можно найти повсюду: от самых высоких гор в мире до утренней чаши с хлопьями.

Доктор Натали Вринд, научный сотрудник отдела прикладной математики и теоретической физики Королевского общества Дороти Ходжкин, является специалистом по гранулярным потокам. Ее научная работа в Калифорнийском технологическом институте раскрыла некоторые физические аспекты работы на тех же песках, которые мистифицировали Марко Поло. В Кембридже ее исследования сосредоточены как на песчаных дюнах, так и на лавинах, а также на способах количественного определения их поведения, которые могут найти практическое применение в таких отраслях, как фармацевтика, нефть и газ. Работа Вриенда зависит как от лабораторных экспериментов и полевых работ, так и от математических моделей.

«Лавина может вести себя как твердое тело, жидкость или газ, в зависимости от различных факторов, из-за чего их так сложно математически моделировать», - говорит Вриенд. «Для меня моделирование их поведения начинается с наблюдения, которое я затем включаю в модель - это природа, откуда я черпаю вдохновение. Это и любопытство - я что-то вижу и хочу попытаться это объяснить.

«Поскольку есть частицы, которые сталкиваются и взаимодействуют в гранулированном потоке, существует определенная степень случайности процесса, так как вы включаете это в модель? Вы пытаетесь перевести то, что вы видите, в физическое описание, а затем выполняете численное или теоретическое моделирование, чтобы увидеть, соответствует ли поведение, которое вы получаете от моделей, тому, что вы наблюдаете в природе ».

Несмотря на свою несколько хаотическую природу, лавины и другие типы зернистых потоков имеют некоторые определенные закономерности. Из-за явления, известного как сегрегация, более крупные частицы имеют тенденцию подниматься к вершине в лавине, тогда как более мелкие частицы опускаются на дно, попадая в промежутки между более крупными частицами. Подобное явление можно увидеть в ваших хлопьях для завтрака: маленькие, более вкусные кусочки всегда оказываются на дне чаши. Крупные зерна также выталкиваются в сторону и вперед, заставляя лавину течь в каналы.

Подобные процессы происходят в песчаных дюнах. Когда дует ветер через дюну, происходит раздробление отдельных песчинок, а также небольшие лавины, происходящие в зернистом масштабе. Но для песчаной дюны высотой 40 м также существуют процессы, происходящие в макромасштабе. Сама дюна может двигаться и мчаться по полу пустыни. Маленькие дюны мигрируют быстрее, чем большие, словно играют в игру «поймай меня, если сможешь».

Поперечное сечение типичной песчаной дюны показало бы уклон с одной стороны гребня и резкое падение с другой. Когда ветер дует через дюну, он толкает песчинки по склону, где они собираются в кучу. Когда куча становится слишком большой, она становится нестабильной и падает на другую сторону, вызывая лавину, в конечном итоге останавливаясь. Этот процесс происходит снова и снова, вызывая формирование слоев в дюне. «Песчаная дюна может выглядеть как монолитная песчаная масса, но в ней много слоев и структур», - говорит Вриенд.

Как это понимание анатомии и движения песчаной дюны переходит в практическое применение? Понимание гранулированных потоков может быть полезно в фармацевтической промышленности, где два разных активных ингредиента, возможно, должны быть смешаны должным образом перед изготовлением таблетки. Гранулированные потоки также очень важны для процесса разведки нефти и газа, и с учетом этого Vriend работает с Schlumberger, нефтесервисной компанией.

Песчаные дюны являются основными источниками шума при сейсморазведочных работах на нефть и газ в пустынях, которые проводятся для определения местоположения и размера подземных запасов нефти и газа. При съемках используется акустический импульс от источника и аккуратно размещенные приемники в разных точках для прослушивания полученного сигнала, который затем можно использовать для расчета того, что скрыто под землей. Проблема, с которой сталкиваются геодезисты, состоит в том, что песчаные дюны состоят из рыхлого песка и поэтому имеют гораздо меньшую скорость волны, чем дно каменистой пустыни, и в результате они действуют как ловушки волновой энергии: энергия продолжает отражаться и создает источник шум при постобработке сейсморазведочных работ. В рамках командировки в Schlumberger один из аспирантов Вриенда проводит численное моделирование, чтобы понять происхождение и особенности этого шума.

Другая промышленная проблема, над которой в настоящее время работает группа Вриенда, - это феномен «гудения» зерновых силосов. Когда зерна выходят из нижней части бункера, трение гранул на стенках бункера издает характерный «гудящий» звук. Раздражать соседей возможно, но вряд ли опасно. Однако, когда вибрации становятся достаточно громкими, это может вызвать резонанс внутри бункера, что приведет к разрушению или разрушению конструкции. Ученики Вриена пытаются понять, что влияет на то, как гудят силосы, которые когда-нибудь могут быть использованы для минимизации шума или даже для предотвращения обрушения.

Феномен, стоящий за сигналящим бункером на занятой ферме, похож на тот, который заставляет петь массивные пустынные песчаные дюны, хотя одно может восприниматься как раздражение, в то время как другое считается очаровательным. Для Вринд, однако, ее мотивируют наблюдения в реальном мире и возможность провести время на природе.

Она объясняет: «Что мне нравится в моих исследованиях, будь то наблюдение за бункерами или лавинами, так это то, что вы можете наблюдать это, видеть это, чувствовать это, трогать это».

Вставка изображения: Лавина Зинал, кредит: dahu1 , Слип лицо GPR, кредит Мэтью Арран.