Las dunas en forma de media luna llamadas barchans son estructuras que aparecen en una amplia variedad de entornos, incluyendo playas y desiertos, cauces y lecho marino, dentro de las tuberías de agua y oleoductos, y en la superficie de Marte y otros planetas arenosos con atmósfera.

A pesar de las diferencias de escala que varían desde ondas de 10 centímetros para las dunas submarinas hasta montañas de un kilómetro de altura para las dunas marcianas, la dinámica de la formación y el movimiento del barchan parece ser muy similar en todas partes.

La investigación realizada en la Universidad de Campinas (UNICAMP) en Brasil con el apoyo de la Fundación de Investigación de São Paulo — FAPESP aclara la dinámica de las dunas acuáticas. Los resultados también pueden contribuir a una mejor comprensión de la topografía de Marte y, por lo tanto, aumentar la probabilidad de éxito en las misiones a Marte o la optimización y la rentabilidad de los flujos de petróleo.

"Barchans son dunas en forma de media luna que resultan de la interacción entre materia granular, típicamente arena, y el flujo de un fluido como un gas o un líquido en condiciones de flujo predominantemente unidireccionales. Los dos cuernos de la cara creciente en la dirección del flujo del fluido, "dijo Erick de Moraes Franklin, uno de los autores de la investigación. El estudio se acaba de publicar en Cartas de revisión física .

Sus hallazgos contradicen la explicación preferida para el origen y movimiento de estas estructuras, al menos en el caso de dunas subacuáticas (submarinas). "Nuestra investigación muestra que la aparición de cuernos de barchan no puede explicarse con el modelo convencional, según el cual la arena se mueve principalmente en dirección longitudinal y cualquier movimiento lateral de los granos se debe a un mecanismo similar a la difusión. Se supone que la velocidad local de desplazamiento de la estructura inicial es inversamente proporcional a su altura local, de modo que las partes más bajas a los lados del montón de arena se mueven más rápido y forman cuernos. Eso no es lo que observamos experimentalmente, "Dijo Franklin.

Lo que él y Álvarez observaron en un medio líquido fue que los granos se movían rodando y deslizándose en trayectorias circulares. "Los cuernos están formados principalmente por granos que migran desde las regiones aguas arriba a la región de los cuernos. El crecimiento de un barchan subacuático tiene un componente transversal significativo, que no tiene características difusivas, "Dijo Franklin.

Todas las barchans tienen las mismas proporciones en términos de la relación entre la longitud y la altura y siguen las mismas leyes de movimiento, independientemente de su origen o escala. Su altura es siempre una décima parte de su longitud, por ejemplo. Como resultado, el estudio realizado en el laboratorio de la UNICAMP con dunas formadas a velocidades ultrarrápidas puede ayudar a comprender la dinámica del terreno marciano, como cómo evolucionaron las dunas gigantes del planeta rojo y cómo se verán dentro de miles de años.

Según Franklin, la formación y el movimiento de un barchan submarino son el resultado de la interacción complementaria o contradictoria de tres factores:flujo de fluido, gravedad, e inercia del grano. Las dunas crecen a medida que el flujo de fluidos mueve los granos de las regiones más bajas a las más altas.

La gravedad actúa en la dirección opuesta, tirando de los granos hacia abajo y tendiendo a hacer la duna más plana. Inercia del grano, o más exactamente, la diferencia de inercia entre los granos y el fluido, determina cómo los granos interactúan con el fluido. Si la inercia del grano es mucho mayor que la inercia del fluido, el movimiento del grano es más lento que el movimiento fluido. En lugar de asentarse en la cúspide de la duna, los granos se depositan en una región más baja aguas abajo.

"La complicación es que el fluido es un medio continuo cuyo movimiento puede describirse mediante ecuaciones diferenciales conocidas, y los físicos saben cómo resolverlos, mientras que los granos constituyen un medio discontinuo. Una duna contiene miles de millones de granos. La escala es precisamente esta, del orden de mil millones. Además, los granos son todos diferentes entre sí, Franklin explicó.

"Hasta aquí, Ha sido imposible describir el movimiento de todos los granos con una sola ecuación diferencial. Podemos describirlos grano a grano, pero ¿cómo podemos integrarlos todos al final? Como resultado, quedan abiertas varias cuestiones sobre la dinámica de las dunas. Una de estas preguntas es por qué un montón de granos, sea ​​cual sea su forma, evoluciona para formar un barchan, una duna en forma de media luna. En otras palabras, ¿Por qué los dos cuernos? "

Dinámica de formación

Entre los diversos tipos de dunas, Se sabe que un barchan se forma cuando el movimiento de un fluido (el viento sobre el desierto o el agua fluye en un río, por ejemplo, ocurre en promedio en una sola dirección de flujo. Puede haber variaciones ocasionales, pero en términos estadísticos, solo prevalece una dirección de flujo. Visto desde arriba este tipo de duna se asemeja a una letra C. Esta forma significa que el fluido se mueve desde el lado convexo hacia los cuernos, las puntas gemelas del C.

La novedad en los hallazgos de este estudio está relacionada con la dinámica de la formación de los cuernos. El modelo antiguo suponía que cada grano se movía balísticamente, como un proyectil que describe una parábola en el plano vertical, y en la misma dirección que el fluido. En movimiento unidireccional, las partes inferiores se mueven más rápido ya que su velocidad es inversamente proporcional a la altura local. Por eso, se forman los dos cuernos. El experimento de los investigadores en UNICAMP, sin embargo, mostró que este no es el caso, al menos no en el agua.

"Realizamos un experimento con granos de vidrio bajo un flujo de agua turbulento. Usando una cámara de alta velocidad capaz de grabar alrededor de mil imágenes por segundo, Filmamos el movimiento de la pila desde arriba y produjimos una gran cantidad de imágenes, "Dijo Franklin.

"El siguiente paso fue crear un programa de computadora que abrió la película imagen por imagen e identificó cada partícula que se había movido. Al monitorear los granos, pudimos rastrear los granos que formaban los cuernos y los caminos que siguieron. Descubrimos que no todos se movían en una sola dirección, según lo asumido por el modelo antiguo. La mayoría de ellos fluyeron alrededor de la pila inicial en un movimiento circular, y así se formaron los cuernos ".

Franklin enfatizó que el descubrimiento se aplica a las dunas formadas en un medio líquido, pero no necesariamente a las dunas formadas en un medio gaseoso. La explicación física de la posible diferencia es simple e interesante, El lo notó. "El modelo anterior se basaba en dunas eólicas, especialmente las dunas del desierto. La densidad del aire es de aproximadamente un kilogramo por metro cúbico. La densidad de un grano de arena es 2, 500 kg / m ³ . Esa es una diferencia de magnitud de 103, lo que significa que para desplazar un grano de arena en el desierto, el aire debe moverse muy rápido. Tan rápido que cuando desplaza un grano, el grano se lanza en una trayectoria balística como un proyectil, Franklin explicó.

"El grano se eleva alrededor de un metro y describe una curva parabólica. La dirección de vuelo es la dirección principal del flujo. Por lo tanto, el movimiento general es de hecho unidireccional. Sin embargo, el agua es mil veces más densa que el aire a 1, 000 kg / m ³ . Eso significa que el agua y el grano de arena están dentro del mismo orden de magnitud, por lo que el flujo de agua puede desplazar el grano mientras se mueve mucho más lentamente. Mientras lo hace, el grano sigue aproximadamente el movimiento del agua. El agua fluye alrededor de la pila en un camino circular, y también los granos ".

El experimento mostró que el modelo anterior, que se consideró una verdad absoluta, no se aplica a todos los casos. "Esto abre toda una discusión sobre el fenómeno, ", dijo." Se tendrán que hacer experimentos con dunas eólicas para confirmar si en este caso, el modelo anterior es de hecho válido. Tal vez lo sea pero tal vez no lo sea. Hay mucho interés en el tema debido a las misiones a Marte. Una pequeña diferencia entre las dunas marcianas podría sugerir que hubo agua en la región en el pasado ".

Además de las posibles aplicaciones a largo plazo, El bombeo de petróleo crudo es una aplicación mucho más inmediata de los resultados de la investigación. El petróleo crudo se extrae principalmente de depósitos que contienen arena y agua, por lo que se forman barchans dentro de las tuberías y ralentizan el flujo de petróleo, aumentando los costos de producción. Es más, la arena se acumula en ciertos lugares, y la eliminación es difícil. Una comprensión más profunda de la formación de dunas es indispensable para resolver este problema.