biglebowsky: (Milperra)
[personal profile] biglebowsky
Не разбирается ли кто-нибудь, по каким причинам песчаным барханам иногда удается расти в высоту?

Поясню суть вопроса. У нас есть сдувание песка и есть отложение песка.
По абсолютно непонятным лично для меня причинам на вершине бархана песок откладывается интенсивнее, чем сдувается. На первый взгляд, должно быть наоборот: в верхней части бархана, вроде как, скорость ветра больше.

Для удобства дальнейшей дискуссии введем терминологию из http://studopedia.ru/view_geomorfologia.php?id=45 "Эоловые аккумулятивные формы"
Ветровой поток обладает емкостью, мощностью и насыщенностью. Емкостью называется количество песка, которое может перемещаться при данной силе ветра, мощностью — реальное количество перемещенного песка. Отношение мощности к емкости называется насыщенностью потока. Чем меньше это отношение, тем больше дефляционная способность потока. При уменьшении емкости потока происходит аккумуляция песка.

Некое высказывание на тему образования барханов приведено в учебнике "Волны вокруг нас; Б.Б. Кадомцев и В.И. Рыдник". Учебник написан крайне неаккуратно; лично меня не удивит, если окажется, что авторы учебника перепутали абсолютно все, а эксперимента, на который они ссылаются, никто не проводил.
Итак, если верить учебнику, был сделан следующий опыт.
Песок был разделен методом просеивания сквозь сита на 3 фракции по размеру песчинок.
Каждая из фракций была окрашена в свой цвет.
Далее, в аэродинамической трубе был поставлен эксперимент по образованию барханов.
Если использовалась только 1 фракция, то никаих барханов не возникало.
Если 3 фракции перемешивались и засыпались в установку, то барханы начинали расти. При этом, происходило некое разделение фракций. Гребни барханов приобретали окраску, соответствующую крупнозернистой фракции; низины - мелкозернистой; наветренный склон - промежуточной фракции.*

Авторы учебника категорически настаивают, что неустойчивость Кельвина-Гельмгольца** никоим образом не может служить объяснением причины возникновения барханов.
Лично я согласен с эти тезисом. Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца выводилась для жидкой / газзообразной среды. Песчаная поверхность не умеет реагировать на малые воздействия, там нужно превышение некой пороговой величины. Если над барханом возникнет легкое разрежение, песок не начнет выгибаться вверх. Если чуть-чуть повысим давление, песок не начнет проминаться вниз.

Примечания.
* Обсуждаемый фрагмент учебника выложен на http://stepnoy-sledopyt.narod.ru/sandphysic/dunes.htm
** http://ru.wikipedia.org/wiki/Неустойчивость_Кельвина_—_Гельмгольца

Я попытался обсудить этот вопрос на http://useless-faq.livejournal.com/13980776.html
и получил очень интереный комментарий от renfry по поводу неустойчивости Кельвина-Гельмгольца: http://useless-faq.livejournal.com/13980776.html?thread=448096872#t448096872
Я попытался почитать упомянутые renfry заметки, но понять ничего не смог.

Комментарии приветствуются.

Update 31.10.2013
статья "The physics of wind-blown sand and dust"; Jasper F Kok et al 2012 Rep. Prog. Phys. 75
http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1201/1201.4353.pdf
стр. 39

Как я понял, в статье речь идет о следующем. Когда мы говорим о скорости ветра, мы обычно имеем в виду скорость потока вне пограничного слоя. Джаспер пишет, что в данной задачке, наоборот, важна скорость именно у самой поверхности, на рассстоянии около диаметра песчинки (на самой поверхности, в данной модельке, скорость тождествено равна нулю). Чтобы навести какую-то математику, нам удобно говорить о поперечном градиенте скорости на нулевой от поверхности высоте. В дальнейшем я буду сокращенно называть это "Градиент" с большой буквы. Т.е., та же самая задачка, когда мы пытаемся вычислить силу вязкого трения, тянущую поверхность бархана.
Джаспер заявляет, что да, действительно, скорость ветра максимальна в районе вершины бархана. А вот Градиент, как ни удивительно, - на наветренном склоне. Понятно, что вверх по склону тащить песчинки тяжелее, чем по горизонтали, но, если Градиент на наветренном склоне существенно больше Градиента на вершине, разность Градиентов "переборет" это неудобство.

Идея Джаспера выглядит разумной. Мне попадались картинки скоростей в пограничном слое в случае ламинарного обтекания закругленного горба со срывом потока после вершины. Естественно, что в районе срыва потока, по определению понятия "срыв потока", Градиент тождественно равен нулю. При приближении к точке срыва, Градиент постепенно падает до нуля.

В случае бархана мы имеем следующие отличия:
- очень турбулентный поток;
- срыв не с пологой части горба, а с некоторой почти острой кромки за вершиной бархана;
- и нам нужно не резкое падение Градиента в ноль в районе точки срыва, а плавное, то есть заблаговременное (по расстоянию) падение Градиента. Песку нужно время и расстояние, чтобы "выпасть" из воздушного потока. Характерная величина, это - длина "свободного прыжка" поднятой в воздух песчинки. Кроме того, нам желательна существенная длина (в процентах длины бархана), чтобы заметные количетва песка могли отложиться быстрее, чем за "геологические времена".

Увы, подробных объяснений, почему Градиент ведет себя так, а не иначе, в работе Джаспера нет. Впрочем, Джаспер ссылается на список работ, где это объяснение, возможно, есть.



Схема образования отрывного течения при обтекании дозвуковым потоком тела с криволинейной образующей. http://www.femto.com.ua/articles/part_2/2714.html

Date: 2013-10-30 11:38 am (UTC)
From: [identity profile] evgknyaginin.livejournal.com
Полагаю, процесс сравним с морской волной.

Date: 2013-10-30 11:47 am (UTC)
From: [identity profile] biglebowsky.livejournal.com
Лично я никак не могу увидеть аналогий.
Траектории частиц ПРИНЦИПИАЛЬНО разные.
В случае волны частицы воды движутся по окружностям.
В случае движения бархана - пересыпание верхнего слоя песка. Поска сверху песок не улетел, нижние слои песка неподвижны.
Механика процессов абсолютно разная.

Я не вижу ничего общего, кроме некой похожести формы.

Date: 2013-10-30 12:30 pm (UTC)
From: [identity profile] evgknyaginin.livejournal.com
"нижние слои песка неподвижны"
На основании чего вы сделали этот вывод?

Date: 2013-10-30 12:39 pm (UTC)
From: [identity profile] biglebowsky.livejournal.com
Вы хотите сказать, что ВНУТРИ, в глубине бархана, песок тоже движется?

Date: 2013-10-30 12:49 pm (UTC)
From: [identity profile] evgknyaginin.livejournal.com
Я этого не исключаю.

Date: 2013-10-30 01:08 pm (UTC)
From: [identity profile] herr-sgor.livejournal.com
Я думаю, что определяющим фактором является сила ветра. При слабом ветре силы ветра хватает только на перекатывание песчинок с основания бархана на его вершину. Сильный ветер может сдувать песчинки с вершины. Например, сдувать песок с вершины самой большой дюны в Пиле смог только ураган со скоростью ветра 175 км/ч.

Date: 2013-10-30 04:27 pm (UTC)
From: [identity profile] nick-petvi.livejournal.com
возможен следующий механизм. за барханом крутится вихрь и наносит песок на заднюю стенку, те копает яму за барханом. песок ис ямы и дает рост вершины. в пользу этой гипотезы можно привести снежные карнизы за гребнем в горах. в отличии от песка снех может налипать снизу и поэтому снежные карнизы гораздо больше песчанных карнизов за верхинами барханов.

Date: 2013-10-30 04:54 pm (UTC)
From: [identity profile] biglebowsky.livejournal.com
На тех картинках, которые я видел, вихрь крутится строго сзади, т.е. , вроде бы, не должен забрасывать песок на верхнюю поверхность.
Строго гворя, песчинки имеют некую массу и не обязаны следовать строго по линиям тока воздуха. Пусть воздух в вихре особо резко разворачивается рядом с задней кромкой бархана, а песчинки ихз вихря забасываютсят на верхнюю поверхность a la "бомбометание с кабрирования". Кто-нибудь этот механизм наблюдал? Этот механизм может перевесить потери песка с верхней поверхности? Этот механизм согласуется с тем, что задняя, подветренная сторона бархана не стесывается ветром, а наоборот, благополучно накапливает песок?

Еще проще. Кто-нибудь видел, чтобы на автомобиле хэтчбэк забрызгало грязью не просто заднее стекло, но и заднюю часть крыши?

Date: 2013-10-30 06:14 pm (UTC)
From: [identity profile] nick-petvi.livejournal.com
this model may explain following " Гребни барханов приобретали окраску, соответствующую крупнозернистой фракции;". heavier is the sand grain less it follows the wind flow.
"Еще проще. Кто-нибудь видел, чтобы на автомобиле хэтчбэк забрызгало грязью не просто заднее стекло, но и заднюю часть крыши? "
here are some references I found, the second one looks reasonable, sorry I have no time to study it in detail
http://www.wsl.ch/fe/schnee/projekte/Particle-boundary_layer_flow_interaction/index_EN
http://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=14&ved=0CFEQFjADOAo&url=http%3A%2F%2Fwww.comphys.ethz.ch%2Fhans%2Fp%2F323.pdf&ei=BUxxUvexNOXbiwKUwYDYBg&usg=AFQjCNEhHbJ568m4XOxhf9CoV4JvQSawtg&bvm=bv.55819444,d.cGE

Date: 2013-10-31 03:05 am (UTC)
From: [identity profile] biglebowsky.livejournal.com
Вторая ссылка интересная, спасибо!

В чем проблема. По этой ссылке есть картинка, где цветом обозначены скорости. Скорость в вихре за барханом сравнительно маленькая, около 0,4 скорости над вершиной. Нет уверенности, что этот вихрь способен забросить песок наверх.

Однако, очень возможно, что именно Ваша гипотеза - правильная. Нужно искать какие-то прямые доказательства. Например, что на самом краешке вершины будет сильно отличающийся от остальной поверхности дюны микрорельеф.

Date: 2013-10-31 05:12 am (UTC)
From: [identity profile] biglebowsky.livejournal.com
Добавил update.

Date: 2013-10-30 07:55 pm (UTC)
From: [identity profile] hyperpov.livejournal.com
А не может так быть, что поток отрывается от поверхности бархана, немного не доходя до вершины, так что непосредственно над самой вершиной образуется уже край застойной зоны?

Date: 2013-10-30 09:45 pm (UTC)
From: [identity profile] biglebowsky.livejournal.com
Может быть. Проблема в том, что:
1) не совсем понятно, зачем потоку отрываться заранее,
2) я не вижу в литературе по барханам никаких подтверждений этой гипотезе.

Я пытался, для начала, нагуглить ответ на существенно более простой вопрос.
Может ли вырасти в эксперименте одиночный бархан, или нам обязательна нужна череда барханов по схеме "каждый последующий чуть выше предыдущего, покак не выйдет на некое "насыщение"". Опыт в аэродинамической трубе мог бы быть очень простым - некий маленький бугорок (зародыш исследуемого бархана) + механические грабли, непрерывно разравнивающие песок перед ним. Вместо этого эксперимента, исследователи предпочитают в статьях порассуждать о системе вихрей, генерируемых барханной пустыней. Сразу всей пустыней...

Date: 2013-10-31 08:46 am (UTC)
From: [identity profile] hyperpov.livejournal.com
== Может ли вырасти в эксперименте одиночный бархан ==
Не знаю, как в эксперименте, но дюна в Пиле в естественных условиях растет прекрасно. Правда, изначально не с нуля, не с ровной поверхности, но уж как пошла расти, так не остановишь.

Date: 2013-10-31 09:13 am (UTC)
From: [identity profile] biglebowsky.livejournal.com
Спасибо за пример!
Действительно, превосходная одиночная штуковина.

Для удобства других участников дискуссиии, я прямо в этот комментарий повешу картинку.

Dune du Pilat
Image

И еще очень большая картинка
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d4/DunePyla.JPG

Date: 2013-10-31 03:36 pm (UTC)
From: [identity profile] hyperpov.livejournal.com
Ну, пример этот я не первый в комментах упомянул.

Я вот еще подумал. С горизонтальной поверхности труднее выдернуть песчинку, чем с наклонной. Тащить вверх как бы тяжелее, да, но главное, ведь, с места стронуть, а для этого нужно преодолеть силу, с которой песчинка прижимается к поверхности. И тут - вуаля - mgh умножается на cos угла к горизонтали.

Date: 2013-10-31 03:51 pm (UTC)
From: [identity profile] biglebowsky.livejournal.com
А Вы взглянули на update по поводу градиента скорости?

Date: 2013-10-31 09:29 pm (UTC)
From: [identity profile] hyperpov.livejournal.com
Да, но статью на 100 страниц сейчас нет возможности смотреть. То, что Вы оттуда выловили, идеологически недалеко от моего первого комментария, - на вершине в погранслое уже образуется застой. Возможно, здесь комплекс причин.

Но суть, думаю, примерно вот в чем. Представим себе, что мы насыпали груду песка и начали на нее дуть. Скорее всего, форма нашей груды изначально будет "неправильная", и верхушку быстро снесет. Но снесет ее таким образом, что после "обработки" она примет "ветроупорную" форму. То есть фишка в том, что эти фокусы с градиентами могут действовать отнюдь не для любого горба, а очень специального, но любой горб постепенно эволюционирует к этой специальной форме путем естественного отбора "отсечения лишнего". После этого на верхушке вынос песка прекращается, а на склоне, который из-за огромной площади обработке не поддается, продолжается полным ходом.

Date: 2013-10-31 05:11 am (UTC)
From: [identity profile] biglebowsky.livejournal.com
Добавил update.

Profile

biglebowsky: (Default)
biglebowsky

May 2014

S M T W T F S
    123
45678910
1112131415 1617
18192021222324
25262728293031

Style Credit

Expand Cut Tags

No cut tags
Page generated Jul. 28th, 2017 08:45 am
Powered by Dreamwidth Studios