Прошлым летом Стефани Макнамара впервые увидела Национальный парк и заповедник Великих песчаных дюн на юге Колорадо. Парк является памятником 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, аспирантка по геофизике в Колорадском университете в Боулдере, недавно присоединилась к проекту по изучению подобных объектов. Но одно дело — читать о дюнах, и совсем другое — увидеть их вживую.
«У нас есть так называемые сальтирующие зёрна — маленькие песчинки, которые скачут по поверхности дюны. Вы можете почувствовать их на своих ногах, а потом вдруг они оказываются у вас во рту», — сказала Макнамара. «Пока вы не окажетесь в поле дюн, трудно представить себе всё, что там перемещается».
Аспирантка является частью исследовательской группы под руководством Натали Вринд, доцента кафедры машиностроения имени Пола М. Рэди в Колорадском университете в Боулдере. Среди прочего, лаборатория изучает, как дюны меняются со временем — смещаются и перемещаются по ландшафту в результате таких процессов, как те, что царапали ноги Макнамары.
Научная фантастика и реальность
Научно-фантастический классический роман «Дюна» и его недавние экранизации происходят в основном в вымышленном мире Арракиса — пустынной планете, где песок простирается бесконечно во всех направлениях. Но дюны встречаются даже в таком водном мире, как Земля. Песчаные дюны занимают примерно 5% площади суши нашей планеты. Они расположены на шести континентах и бывают разных форм и размеров. Самые распространённые дюны, барханы, имеют форму полумесяца, в то время как другие выглядят как звёзды или крепостные стены. Некоторые дюны даже «поют».
Точно так же, как дюны в национальном парке, эти образования неустанно, иногда упрямо, живут. Понимание того, как именно дюны движутся, стало актуальной задачей, сказала Вринд. Мир становится всё жарче и суше, а пустыни по всему миру распространяются, 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 актуальный вопрос: могут ли люди эффективно сдвигать или даже останавливать поток крупнейших дюн планеты?
«Здесь, в США, мы столкнулись с этой проблемой 100 лет назад, когда у нас была Пыльная чаша, когда пыль и песок опустошали фермы и полностью уничтожали урожай», — сказала Вринд. «Мы всё ещё сталкиваемся с этой проблемой сегодня, и в результате нам нужно понять, как движется осадок, как он транспортируется».
Открытие Натали Вринд
У Вринд был собственный момент открытия в начале её обучения в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене. В рамках исследовательской поездки инженер-механик забралась на вершину одной из знаменитых поющих дюн пустыни Мохаве. Эти дюны создают жужжащий звук, который может эхом разноситься на многие мили во всех направлениях.
«Я помню, как спускалась с этой дюны, и этот звук начал нарастать на дне пустыни, и всё моё тело начало вибрировать», — сказала Вринд, которая приехала в Колорадский университет в Боулдере в 2022 году. «Быть крошечной частью в большом, большом ландшафте, таком как дюнный ландшафт, — это очень смиряет».
Годы спустя Вринд и её советник в Калтехе, Мелани Хант, помогли раскрыть, что заставляет поющие дюны звучать — это связано с тем, как небольшие лавины песка вибрируют, когда они скользят по склону дюны.
Вринд и её бывший аспирант Кароль 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 у вас на руке, он образует небольшую кучку и является твёрдым. Затем вы высыпаете его, и он ведёт себя как жидкость и течёт», — сказала Вринд. «Если вы подбросите его в воздух, а ветер будет дуть, он улетит, как газ».
Это всё 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.
Эксперимент в Университете Кембриджа
В предыдущем эксперименте Вринд и её коллеги попытались выяснить, что может произойти, когда ветры, дующие на дюну, внезапно меняют направление. Она проводила эксперимент в качестве научного сотрудника Королевского общества в Университете Кембриджа в Соединённом Королевстве.
Чтобы смоделировать сложную динамику дюнного поля, команда использовала массивный аппарат, называемый круговым желобом. Машина, по сути, представляет собой кольцо воды, которое имеет более 6 футов в поперечнике и вращается, как проигрыватель. Вращающийся желоб создаёт подводные течения, которые омывают песчаные насыпи, почти как ветры, дующие в пустыне.
Исследователи обнаружили, что почти две трети дюны вообще не двигаются во время такого разворота. Вместо этого, только верхний слой песка, кажется, сдвигается, перетекая из одного направления в другое — немного похоже на то, как пекарь покрывает глазурью, а затем снова покрывает торт.
Для миллионов людей по всему миру эта динамика — не просто материал научных статей или научно-фантастических блокбастеров. Скорее, они могут стать вопросом выживания, сказала Макнамара.
В Соединённых Штатах, например, 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 предстоящие десятилетия, добавили исследователи. Это связано с тем, что во многих регионах мира пустыни растут и распространяются с угрожающей скоростью — результат сочетания факторов, от повышения температуры из-за изменения климата до практики землепользования человеком, такой как вырубка лесов.
Но могут ли люди эффективно изменить направление потока дюн — процесса, который продолжался непрерывно в течение бесчисленных эпох? Люди на протяжении многих лет пытались различными способами сделать это — от установки заборов до посадки растительности. Но у этих стратегий есть ограничения, и некоторые из них могут быть даже контрпродуктивными. Макнамара, Вринд и их коллеги хотят использовать свои знания о динамике дюн, чтобы улучшить процесс.
Исследования в Чили
Ранее в этом году Макнамара побывала в Чили, где присоединилась к исследователям под руководством Томаса Тревелы в Университете Адольфо Ибаньеса. Они работали над песчаными дюнами вокруг Винья-дель-Мар, сообщества на берегу Тихого океана. Команда установила несколько больших препятствий, включая шесты с руками, сделанными из плавательных кругов, в дюне. Сейчас группа следит за экспериментом, чтобы выяснить, как различные препятствия могут усугубить или остановить перенос песка.
Вринд в настоящее время устанавливает круговой желоб в своей лаборатории на территории кампуса Колорадского университета в Боулдере — инфраструктурная задача, поскольку машина весит 400 фунтов.
«Можем ли мы на самом деле повлиять на то, куда мигрирует дюна?» — сказала Макнамара. «Что произойдёт, если у нас будет дюна, и мы, например, поставим перед ней камни?»
Аспирантка увидела воочию, почему подобные вопросы так важны во время исследовательской поездки в июне на индонезийский остров Ява. Там она встретила людей, чьи жизни были разрушены геологическими катастрофами, включая жителей, потерявших свои дома из-за неоднократных наводнений.
«Влияние человека — вот что движет моими исследованиями», — сказала Макнамара. «Это действительно останется со мной — разговоры с этими семьями и наблюдение за тем, где они живут, слыша о невозможных решениях, которые им приходится принимать».
Предоставлено Университетом Колорадо в Боулдере.