Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.980 RSS
←   Март 2009   →
 1
 2
02.03.2009
04:36:03
13:23:18
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.980 подписчиков
+2 за неделю
←   Все выпуски   →

Предложена теория, объясняющая, чем определяется размер гигантских дюн в пустыне


Эволюция как сопротивление энтропии

Эволюция как сопротивление энтропии

Биологическая эволюция не просто создает новые формы — она создает формы, устойчивые к дальнейшей эволюции.

Статья доктора биологических наук Виктора Щербакова

Предложена теория, объясняющая, чем определяется размер гигантских дюн в пустыне

20.03.2009

Рис. 1. Масштабы гигантских дюн для различных ветровых режимов: a — поперечные дюны пустыни Бадын-Джаран (Китай), b — дюны в форме полумесяца Атлантической Сахары (Марокко), с — продольные дюны пустыни Руб-эль-Хали (юго-восточная часть Аравийского полуострова), d — звездообразные дюны пустыни Большой Восточный Эрг в Алжире. Желтыми секторами показаны преобладающие направления ветров в пустыне. Снимки из обсуждаемой статьи в Nature
Рис. 1. Масштабы гигантских дюн для различных ветровых режимов: a — поперечные дюны пустыни Бадын-Джаран (Китай), b — дюны в форме полумесяца Атлантической Сахары (Марокко), с — продольные дюны пустыни Руб-эль-Хали (юго-восточная часть Аравийского полуострова), d — звездообразные дюны пустыни Большой Восточный Эрг (Grand Erg Oriental) в Алжире. Желтыми секторами показаны преобладающие направления ветров в пустыне. Снимки из обсуждаемой статьи в Nature

Известно, что рост гигантских дюн происходит за счет поглощения более мелких дюн и, казалось бы, ничто не мешает принимать им сколь угодно большие размеры. Французским ученым из Лаборатории физики и механики неоднородных сред в сотрудничестве с исследователями из США и Алжира удалось установить, что этот процесс ограничен глубиной так называемого приповерхностного атмосферного слоя, который определяет характер течения воздуха над гигантскими дюнами.

Формирование дюн в пустыне начинается с какого-нибудь небольшого холмика, на подветренной стороне которого происходит завихрение воздуха и образуется как бы небольшая воронка. По мере поступления с ветром новых порций песка холмик и воронка растут. Так появляются дюны, которые имеют звездообразную форму либо форму полумесяца. В дальнейшем они будут увеличиваться в размерах и медленно двигаться под действием и по направлению преобладающих ветров. Согласно этой теории, в процессе своего движения дюны могут накапливать песок сколь угодно долго и вырасти до бесконечных размеров, лишь бы хватило песка. Абсурдность этой теории очевидна: достоверно известно, что максимальная высота дюн ограничена несколькими сотнями метров. Кстати, рекордсменом является китайская пустыня Бадын-Джаран (Badain Jaran): некоторые дюны там достигают просто-таки огромных высот — около 500 метров! .

Попутно заметим, что если ветры в пустыне дуют в разных направлениях, то из песка формируются хаотические гряды дюн. Если же в розе ветров существует определенное направление, то дюны могут образовать периодическую структуру (см. рис. 1), напоминающую волнистую поверхность моря или океана с характерным расстоянием между вершинами таких песчаных волн около километра.

Возникает закономерный вопрос: что же все-таки ограничивает рост гигантских дюн? В одном из последних выпусков журнала Nature французские ученые из Лаборатории физики и механики неоднородных сред в содружестве с исследователями из США и Алжира опубликовали статью Giant aeolian dune size determined by the average depth of the atmospheric boundary layer, в которой делают попытку решить эту проблему (в открытом доступе статья находится здесь).

Ученые предложили теорию образования гигантских дюн, которая учитывает не только взаимодействие дюн и пустынных ветров, но и взаимодействие дюн с так называемым приповерхностным атмосферным слоем. В этом слое происходит активное конвекционное перемешивание масс воздуха, приводящее к нелинейному увеличению температуры с высотой. Толщина этого слоя колеблется от ста метров зимой до нескольких километров летом (рис. 2b). Выше приповерхностный слой «накрыт» тонким инверсионным слоем с уже линейным изменением температуры. И лишь потом начинается участок атмосферы, где наблюдается понижение температуры воздуха с высотой, хорошо известное всем, кто летал на самолете.

Что заставило ученых предположить, что рост дюн ограничивается процессами в приповерхностном атмосферном слое? Основанием для такой гипотезы послужила обнаруженная ими любопытная корреляция между двумя величинами — расстоянием λ между вершинами гигантских дюн (вне зависимости от того, какой они формы) и  δθ/γ, где δθ — среднегодовое изменение температуры воздуха на поверхности пустыни, а γ — температурный градиент, задающий изменение температуры воздуха с высотой в инверсионном слое (см. рис. 2). Данные для установления такой зависимости были собраны по 34 пустыням в разных уголках земного шара (подробнее см. стр. 11–12 дополнительных материалов к статье, они находятся в открытом доступе).

Рис. 2. a — расстояние <i>λ</i> между вершинами гигантских дюн в различных пустынях как функция изменения среднегодовой температуры <i>δθ</i>. Сплошная линия соответствует графику функции <i>λ</i> = <i>δθ</i>/<i>γ</i>. Изменение температуры <i>δθ</i> усреднено за семилетний период наблюдений: с 2000-го по 2007 год. b — температурный профиль атмосферы θ(z), измеренный в полдень в аэропорту Сулаель (Саудовская Аравия) в различные времена года (синие круги: 27/07/1978, квадраты: 22/10/1978, ромбы: 01/12/1977, треугольники: 12/02/1978). Нелинейная зависимость температуры с высотой задает высоту приповерхностного атмосферного слоя H. Выше H начинается инверсионный слой, для которого температурный профиль (γ) является линейным и равен 4 К/км. Рис. из ! обсуждаемой статьи в Nature
Рис. 2. a — расстояние λ между вершинами гигантских дюн в различных пустынях как функция изменения среднегодовой температуры δθ. Сплошная линия соответствует графику функции λ = δθ/γ. Изменение температуры δθ усреднено за семилетний период наблюдений: с 2000-го по 2007 год. b — температурный профиль атмосферы θ(z), измеренный в полдень в аэропорту Сулаель (Саудовская Аравия) в различные времена года (синие круги: 27/07/1978, квадраты: 22/10/1978, ромбы: 01/12/1977, треугольники: 12/02/1978). Нелинейная зависимость температуры с высотой задает высоту приповерхностного атмосферного слоя H. Выше H начинается инверсионный слой, для которого температурный профиль (γ) является! линейным и равен 4 К/км. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Но с другой стороны, отношение δθ/γ, которое приводится всё в тех же вспомогательных материалах, приблизительно равно максимальной высоте приповерхностного слоя H. Таким образом, становится очевидным, что процессы в этом слое, благодаря каким-то механизмам, до сих пор остававшимся невыясненными, причастны к ограничению роста дюн.

Для того чтобы понять эти механизмы, ученые построили соответствующую их гипотезе аэродинамическую модель: периодически расположенные песчаные холмы высотой a, над которыми находится слой воздуха высотой H. В этом приповерхностном слое, благодаря конвекции и ветровым процессам, наблюдается турбулентное течение воздуха (число Рейнольдса составляло в модели 108). Вся система накрывается более «спокойным», то есть стабильным в плане перемешивания воздуха инверсионным слоем. Численный расчет на основании уравнений Навье–Стокса показал, что периодический рельеф из дюн возбуждает воз! душные волны (авторы статьи называют эти волны поверхностными) на границе раздела приповерхностного и инверсионного слоя, которые в свою очередь изменяют скорость ветра, а значит, и управляют процессом аккумуляции песка дюнами.

Далее происходит следующее: как только благодаря ветру расстояние между дюнами становится сравнимым с H, поверхностные волны уплотняют и ограничивают течение воздуха над их вершинами. Вследствие этого дюны перестают накапливать песок, и рост песчаного холма останавливается. На рис. 3 представлен графический результат численного моделирования — зависимость высоты дюн a от расстояния между их вершинами. На графике нетрудно заметить максимум (пик), означающий с физической точки зрения, что, действительно, как только λ и H становятся соизмеримыми, то дюна в процессе своего роста достигает максимальной высоты.

Рис. 3. Высота дюн a как функция расстояния между ними λ (обе величины измерены относительно высоты приповерхностного слоя H), предсказанная аэродинамической моделью с учетом наличия приповерхностного атмосферного слоя (черная кривая) и без приповерхностного атмосферного слоя него (зеленая прямая). Круги соответствуют экспериментальным данным. Максимум на черной кривой означает, что присутствие приповерхностного слоя ограничивает течение воздуха над вершинами дюн, если длина поверхностных волн соизмерима с расстоянием между дюнами. В этом случае дюны стабилизируются и прекращают свой рост. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
Рис. 3. Высота дюн a как функция расстояния между ними λ (обе величины измерены относительно высоты приповерхностного слоя H), предсказанная аэродинамической моделью с учетом наличия приповерхностного атмосферного слоя (черная кривая) и без него (зеленая прямая). Круги соответствуют экспериментальным данным. Максимум на черной кривой означает, что присутствие приповерхностного слоя ограничивает течение воздуха над вершинами дюн, если длина поверхностных волн соизмерима с расстоянием между дюнами. В этом случае система «дюны плюс приповерхностный слой» приходит в равновесие: дюны не увеличивают свою высоту, а поверхностные волны в свою очередь не изменяют расстояние между их вершинами. И даже если в силу каких-то причин эта величина изменится (система пройдет положение максимума на графике), то песчаные холмы просто уменьшат свою высоту наст! олько, чтобы снова находиться в состоянии равновесия с приповерхностным слоем. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Чтобы еще лучше понять, как работает обсуждаемая здесь теория, рассмотрим пример: в пустыне Намиб высота дюн достигает 60–240 метров. В дополнительных материалах к статье находим информацию об этой пустыне: для нее δθ/γ ≈ 1,5 км, а значит, приблизительно такой же толщины и приповерхностный атмосферный слой H ≈ 1,5 км, расстояние между вершинами дюн λ ≈ 2,2 км. Таким образом, отношение λ/H ≈ 1,5. Из графика на рис. 3 нетрудно найти, что высота дюн a в единицах H должна быть около 0,15, отсюда имеем максимальную высоту, которую могут достичь дюны в этой пустыне, — 225 метров; это значение близко к реально наблюдаемому (до 240 метров).

Между прочим, эта же модель объясняет и образование дюн из ила на дне реки (соответствующие расчеты приведены во вспомогательных материалах к обсуждаемой статье). Только нестабильному приповерхностному слою здесь соответствует толща воды, поверхностные волны — это гравитационные волны на поверхности реки, а «спокойный» инверсионный слой — это атмосфера. Качественно зависимость высоты иловых дюн от расстояния между ними не будет отличаться — просто положение максимума на графике оказывается другим.

В конце статьи авторы замечают, что предложенный ими механизм формирования дюн, по-видимому, должен действовать и на других планетах и их спутниках, в частности на Марсе и Титане.

Источник: Bruno Andreotti, Antoine Fourrière, Fouzia Ould-Kaddour, Brad Murray, Philippe Claudin. Giant aeolian dune size determined by the average depth of the atmospheric boundary layer // Nature. V. 457. P. 1120–1123.

Юрий Ерин

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

19.03 Стресс способствует близкородственным скрещиваниям

Многие животные стараются выбирать в качестве брачных партнеров не слишком близких, но и не слишком дальних родственников, чтобы избежать инбридинга и отдаленной гибридизации. Эксперименты на мухах показали, что стресс может приводить к сдвигу брачных предпочтений в сторону «своих». Этот механизм способствует быстрой репродуктивной изоляции особей, попавших в необычные условия.

18.03 Зараженные ежемухой гусеницы спасаются самолечением

Известно, что самолечением занимаются не только люди. Такое поведение описано и у других позвоночных, в частности у шимпанзе и домашних овец. Но оказалось, что к самолечению могут прибегать и насекомые. Гусеницы одного из видов бабочек-медведиц, зараженные ежемухами, склонны поедать растения, содержащие ядовитые алкалоиды, убивающие паразитов, тем самым повышая свою выживаемость.

17.03 Отпечатки пальцев увеличивают чувствительность кожи в сто раз

Французские ученые, создав искусственный «кончик пальца», показали, что регулярные линии отпечатков работают как частотный фильтр, передавая тактильным рецепторам сигнал в оптимальном диапазоне восприятия. Чувствительность кожи при этом возрастает на два порядка. Принцип частотных фильтров используется не только при тактильной рецепции, но и в распознавании зрительных образов.

16.03 В геномах млекопитающих найдены сотни неизвестных ранее генов

Новые методы анализа генома позволили выявить у млекопитающих более полутора тысяч неизвестных ранее генов. Эти гены кодируют не белки, а большие молекулы РНК, выполняющие различные регуляторные функции. Новооткрытые гены демонстрируют высокий уровень сходства (консервативности) у разных млекопитающих, что свидетельствует об их важном функциональном значении.

14.03 Обнародованы новые результаты по поиску хиггсовского бозона на Тэватроне

13 марта на конференции “Rencontres de Moriond 2009” были представлены новые результаты по поиску хиггсовского бозона. C достоверностью 95% уже исключена область масс от 160 до 170 ГэВ, и обработанная статистика неуклонно возрастает. Даже если LHC заработает в срок, не исключено развитие событий, при котором хиггсовский бозон будет найден — или не найден — именно на Тэватроне.

13.03 Синантроп стал древнее на 270 тысяч лет

Применение новых методов радиометрического датирования показало, что пекинский человек, или синантроп (Homo erectus pekinensis), жил в пещере Чжоукоудянь в окрестностях Пекина не 500–200 тысяч лет назад, как предполагалось, а от 770 до 400 тысяч лет назад. Новая датировка лучше согласуется с возрастом других стоянок Homo erectus в Северном Китае, позволяя связать их в единый ряд.

12.03 Экспериментально подтверждено существование сверхпроводимости полуторного рода

Все сверхпроводящие вещества в зависимости от механизма проникновения в них магнитного поля принято делить на сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Группа физиков из Бельгии и Швейцарии показала, что сверхпроводящий чистый монокристалл диборида магния в слабом магнитном поле ведет себя непохоже ни на те, ни на другие, и предложила новый термин — «сверхпроводимость 1,5-го рода».

11.03 Соловьихи ищут женихов во время ночных прогулок

Своими ночными песнями самцы соловьев объявляют, что пока еще не обзавелись подругой. Самки же, озабоченные поиском подходящего супруга, по ночам совершают экскурсии по окрестностям, от одного поющего холостяка к другому, пока не сделают свой выбор. Самец, обретший супругу, прекращает ночное пение.

10.03 Раскрыты структура и функции генов, защищающих пшеницу от ржавчины

У зерновых культур защита от болезней, вызванных грибами-паразитами, может быть узконаправленной, но недолговечной либо более стабильной, но менее эффективной. Генетики выяснили структуру и функции двух генов, участвуют в стабильной защите растений от ржавчинных грибов: эти гены кодируют мембранные белки, выполняющие сигнальные и транспортные функции. Изучение механизмов стабильной защиты сулит растениеводству большие выгоды.
В избранное