Barchans son dunas de arena en forma de media luna cuyos dos cuernos miran en la dirección del flujo del fluido. Aparecen en diferentes entornos, como en el interior de las tuberías de agua o en los lechos de los ríos, donde toman la forma de ondas de diez centímetros, y desiertos, donde pueden superar los 100 metros, y la superficie de Marte, donde pueden tener un kilómetro de longitud o más. Si su tamaño varía mucho, también lo hace el tiempo que tardan en formarse e interactuar. Los órdenes de magnitud van desde un minuto para los pequeños barcanos en el agua hasta un año para las grandes formaciones desérticas y un milenio para los gigantes de Marte.

Están formados por la interacción entre el flujo de un fluido, como gas o líquido, y materia granular, típicamente arena, en condiciones de flujo predominantemente unidireccionales.

"Lo interesante es la similitud de su dinámica de formación e interacción, independientemente del tamaño. Como resultado, podemos estudiar barchans acuáticos en el laboratorio para hacer predicciones sobre la evolución de las dunas en Lençóis Maranhenses [un ecosistema costero en el noreste de Brasil] o para investigar los orígenes de la topografía en la región de Hellespontus en Marte, "dijo Erick Franklin, investigadora y profesora de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Campinas (FEM-UNICAMP) en el estado de São Paulo, Brasil.

Trabajando con su Ph.D. estudiante Willian Righi Assis, Franklin realizó más de 120 experimentos e identificó cinco tipos básicos de interacción entre barchans.

El estudio, realizado íntegramente en UNICAMP, se informa en un artículo publicado en la revista Cartas de investigación geofísica . Fue apoyado por la FAPESP a través de una Beca de Investigador Joven de Fase 2 otorgada a Franklin y una beca de doctorado directa otorgada a Assis.

Un aspecto llamativo del tema es que, además de tener una forma robusta que aparece en muchos entornos diferentes, Los establos suelen formar pasillos en los que sus tamaños son aproximadamente iguales. El análisis de las dunas individuales sugiere que deberían crecer indefinidamente, cada vez más grande, Pero este no es el caso. Una explicación de su tamaño característico en un entorno dado es que las interacciones binarias, especialmente colisiones, redistribuir la masa de arena, y en lugar de crecer continuamente, se subdividen en dunas más pequeñas.

"Esto se ha propuesto en el pasado, pero nadie había probado y mapeado exhaustivamente estas interacciones, Dado que las colisiones de dunas tardan décadas en ocurrir en los desiertos terrestres, ", Dijo Franklin." Aprovechando el hecho de que las galerías submarinas son pequeñas y se mueven mucho más rápido, realizamos experimentos en un canal hidrodinámico hecho de material transparente, con un flujo de agua turbulenta formando y transportando pares de barchans mientras una cámara filmaba el proceso. Identificamos por primera vez los cinco tipos básicos de interacción binaria ".

En los experimentos, los investigadores variaron de forma independiente cada uno de los parámetros implicados en el problema, como el diámetro del grano, densidad y redondez, velocidad del flujo de agua, y condiciones iniciales. Las imágenes adquiridas fueron procesadas por computadora utilizando un código numérico escrito por los investigadores. Según los resultados, propusieron dos mapas que proporcionaban una clasificación general de las posibles interacciones.

"Nuestros experimentos demostraron que cuando se produce una colisión binaria, el barchan que originalmente estaba río abajo, es decir, al frente, expulsó una duna de una masa aproximadamente igual a la del barchan río arriba, es decir, detrás, "Franklin dijo." La primera impresión fue que el barchan río arriba pasó sobre el otro barchan como una ola, pero el uso de granos de colores nos ayudó a demostrar que esto no sucedió. Realmente, el barchan corriente arriba entró en el barchan corriente abajo, que se hizo demasiado grande y liberó una masa más o menos igual a la masa recibida ".

Las interacciones entre las dos granjas involucraban básicamente dos mecanismos. Uno fue la perturbación causada en el fluido, que pasa por alto el barchan río arriba, aceleró e impactó el barchan corriente abajo, que erosionó. Esto se denomina "efecto despertador". La otra fue la colisión en la que se fusionaron los granos de las granjas que chocaban.

"Nuestros datos experimentales mostraron que estos dos mecanismos causaron cinco tipos de interacción barchan-barchan, Franklin dijo. Teniendo en cuenta que la velocidad de una duna es inversamente proporcional a su tamaño, los dos más simples son lo que llamamos perseguir y fusionar ".

La persecución ocurre cuando las dos barchans tienen aproximadamente el mismo tamaño y la erosión debido al efecto de estela hace que la duna corriente abajo disminuya de tamaño. Las dos barchan luego se mueven a la misma velocidad y permanecen a una distancia constante entre sí. La fusión ocurre cuando el barchan corriente arriba es mucho más pequeño que el barchan corriente abajo. La erosión causada por la estela no disminuye sustancialmente el tamaño de la duna río arriba, para que las granjas chocan y se funden, formando una sola duna.

El tercer tipo de interacción es el intercambio, que es más complicado. "El intercambio ocurre cuando el barchan aguas arriba es más pequeño que el barchan aguas abajo, pero no mucho más pequeño. Aquí, también, la duna corriente arriba alcanza a la duna corriente abajo y chocan. Mientras lo hacen, la duna más pequeña asciende y se extiende sobre la más grande. Durante este proceso, sin embargo, el flujo de fluido, que es desviado por la nueva duna, erosiona fuertemente el frente de la duna, que expulsa una nueva duna. Debido a que es más pequeño y emerge río abajo, la nueva duna se mueve más rápido y se abre un espacio entre las dos dunas, "Dijo Franklin.

Los dos últimos tipos de interacción ocurren cuando el flujo de fluido es muy fuerte. "Lo que llamamos 'persecución de la fragmentación' es cuando las dunas son de diferentes tamaños. El efecto de estela en la duna corriente abajo es tan fuerte que se divide en dos. Ambas dunas resultantes son más pequeñas que la duna corriente arriba. El resultado son tres dunas con brechas que se amplían entre ellos. El último tipo es "intercambio de fragmentación", que es similar. La diferencia es que la duna corriente arriba llega a la duna corriente abajo antes de que se complete su división en dos, "Dijo Franklin.

Los cinco tipos son fáciles de entender en el video adjunto. De hecho, los investigadores pudieron construir la tipología gracias al soporte visual que brindan las películas descritas en el artículo. "Nuestros resultados, obtenido para barchans subacuáticos que tenían centímetros de longitud y se desarrollaron en minutos, Avanzar significativamente en la comprensión de la dinámica y formación de este tipo de dunas, ", Dijo Franklin." A través de las leyes de escala, nos permiten trasladar los hallazgos a otros entornos, donde los tamaños son más grandes y los períodos de tiempo más largos. Entender el pasado de Marte o proyectar su futuro lejano, Ambos son actualmente de interés para los científicos, Estos hallazgos podrían facilitar enormemente ". Las barchanas son dunas de arena en forma de media luna cuyos dos cuernos miran en la dirección del flujo del fluido. Aparecen en diferentes ambientes, como en el interior de las tuberías de agua o en los lechos de los ríos, donde toman la forma de ondas de diez centímetros, y desiertos, donde pueden superar los 100 metros, y la superficie de Marte, donde pueden tener un kilómetro de longitud o más. Si su tamaño varía mucho, también lo hace el tiempo que tardan en formarse e interactuar. Los órdenes de magnitud van desde un minuto para los pequeños barcanos en el agua hasta un año para las grandes formaciones desérticas y un milenio para los gigantes de Marte.

Están formados por la interacción entre el flujo de un fluido, como gas o líquido, y materia granular, típicamente arena, under predominantly unidirectional flow conditions. 

"What's interesting is the similarity of their formation and interaction dynamics, regardless of size. Como resultado, we can study aquatic barchans in the laboratory to make predictions about the evolution of the dunes in Lençóis Maranhenses [a coastal ecosystem in the Northeast of Brazil] or to investigate the origins of the topography in the Hellespontus region on Mars, " said Erick Franklin, a researcher and professor at the University of Campinas's School of Mechanical Engineering (FEM-UNICAMP) in the state of São Paulo, Brasil.

Working with his Ph.D. student Willian Righi Assis, Franklin performed more than 120 experiments and identified five basic types of interaction between barchans. 

El estudio, conducted entirely at UNICAMP, is reported in an article published in the journal Geophysical Research Letters. It was supported by FAPESP via a Phase 2 Young Investigator Grant awarded to Franklin and a direct doctorate scholarship awarded to Assis.

A striking aspect of the topic is that as well as having a robust shape that appears in many different environments, barchans typically form corridors in which their sizes are approximately the same. Analysis of individual dunes suggests they should grow indefinitely, becoming steadily larger, Pero este no es el caso. One explanation for their characteristic size in a given environment is that binary interactions, especially collisions, redistribute the mass of sand, and instead of growing continuously they subdivide into smaller dunes.

"This has been proposed in the past, but no one had extensively tested and mapped these interactions, as dune collisions take decades to happen in terrestrial deserts, " Franklin said. "Taking advantage of the fact that underwater barchans are small and move much faster, we conducted experiments in a hydrodynamic channel made of transparent material, with turbulent water flow forming and transporting pairs of barchans while a camera filmed the process. We identified for the first time the five basic types of binary interaction."

In the experiments, the researchers varied independently each of the parameters involved in the problem, such as grain diameter, density and roundness, water flow velocity, and initial conditions. The images acquired were processed by computer using a numerical code written by the researchers. Based on the results, they proposed two maps that supplied a general classification of the possible interactions.

"Our experiments showed that when a binary collision occurs, the barchan that was originally downstream, i.e. in front, expelled a dune of an approximately equal mass to that of the barchan upstream, i.e. behind, " Franklin said. "The first impression was that the upstream barchan passed over the other barchan like a wave, but the use of colored grains helped us show this didn't happen. Realmente, the upstream barchan entered the downstream barchan, which became too large and released a mass more or less equal to the mass received."

Interactions between the two barchans basically involved two mechanisms. One was the disturbance caused in the fluid, which bypassed the upstream barchan, accelerated and impacted the downstream barchan, which eroded. This is termed the "wake effect". The other was the collision in which the colliding barchans' grains merged. 

"Our experimental data showed that these two mechanisms caused five types of barchan-barchan interaction, " Franklin said. "Bearing in mind that the velocity of a dune is inversely proportional to its size, the simplest two are what we call chasing and merging."

Chasing occurs when the two barchans are roughly the same size and erosion due to the wake effect makes the downstream dune decrease in size. The two barchans then move at the same velocity and remain at a constant distance from each other. Merging happens when the upstream barchan is much smaller than the downstream barchan. Erosion caused by the wake does not substantially decrease the size of the upstream dune, so that the barchans collide and merge, forming a single dune.

The third type of interaction is exchange, which is more complicated. "Exchange happens when the upstream barchan is smaller than the downstream barchan, but not much smaller. Aquí, también, the upstream dune catches up with the downstream dune and they collide. As they do so, the smaller dune ascends and spreads over the larger one. Durante este proceso, sin embargo, the fluid flow, which is deflected by the new dune, strongly erodes the front of the dune, which ejects a new dune. Because it is smaller and emerges downstream, the new dune moves faster and a gap opens up between the two dunes, " Franklin said.

The last two types of interaction happen when fluid flow is very strong. "What we call 'fragmentation-chasing' is when the dunes are of different sizes. The wake effect on the downstream dune is so strong that it splits into two. Both the resulting dunes are smaller than the upstream dune. The result is three dunes with gaps widening between them. The last type is 'fragmentation-exchange', which is similar. The difference is that the upstream dune reaches the downstream dune before its division into two is complete, " Franklin said.

The five types are easy to understand in this video. De hecho, the researchers were able to construct the typology thanks to the visual support afforded by the movies described in the article. "Our results, obtained for subaqueous barchans that were centimeters in length and developed in minutes, significantly advance the understanding of the dynamics and formation of this type of dune, " Franklin said. "Through laws of scale, they enable us to transpose the findings to other environments, where sizes are larger and timespans longer. Understanding the past of Mars or projecting its distant future, both of which are currently of interest to scientists, could be greatly facilitated by these findings."