9.5: Еолові розпушувачі та еолові дюни

Ви дізналися раніше, що при протіканні течії води над шаром пухкого піску, якщо протягом досить сильне для переміщення деякого осаду кілька видів геометричних особливостей, званих пластовими формами, формуються потоком. Те ж саме стосується потоків повітря над пухким осадом. І насправді, так само, як і у водних потоках, утворюються два різних види форм ліжок, брижі і дюни, в самих різних масштабах. Динамічна нестійкість якогось роду, завдяки якій плоска піщана поверхня нестійка до невеликих порушень, бере участь в обох випадках вода і вітер. Динаміка, що стоїть за цими нестабільностями, настільки ж загадкова у випадку вітру, як і у випадку з водою. Навіть не відомо напевно, чи підводні та підземні брижі є однаковою динамічною особливістю, і чи є підводні та підводні дюни однаковою динамічною особливістю.

Ось ще один домашній експеримент для вас, щоб спробувати. (Я обіцяю вам, що це буде останній домашній експеримент, який я пропоную в цьому семестрі!) Було б легко побудувати домашню аеродинамічну трубу. (Див. Рис. 9-2 вище.) Просто прибийте чотири широкі соснові дошки разом, щоб зробити канал довжиною кілька футів, і влаштуйте кінець вниз, щоб пройти в отвір у великій коробці. В іншій стінці короба вмонтуйте віконний вентилятор. Покладіть шар піску в повітропровід, включіть вентилятор, і у вас є еоловий транспорт. (Це допомогло б покращити конструкцію трьома способами: покладіть пару вікон з оргскла в повітропровід, щоб ви могли спостерігати за переміщенням піску; зробіть верхню поверхню воздуховода знімною, щоб ви могли легко потрапити на пісок і сфотографувати його; і влаштуйте щиток проти вітрової сторони вентилятора, щоб контролювати вітер швидкість.)

Поступово збільшуйте швидкість вітру над плоскою піщаною поверхнею у вашому каналі, поки піщинки просто не почнуть рухатися. Дуже скоро після цього настає повністю розвинена засолювання. Якщо потім ви поступово зменшували швидкість вітру знову, ви виявите, що мінімальна швидкість вітру, необхідна для підтримки вже існуючої засолювання, набагато менше, ніж швидкість вітру, необхідна для початку засолювання. Фізик назвав би це ефектом гістерезису. (Чи можете ви згадати більш ранній приклад гістерезису в цьому курсі?) Ці дві швидкості вітру представляють те, що називається порогом засолювання та порогом рідини відповідно.

Знову проверніть вітер, поки не буде засолювання. Вам доведеться почекати лише лічені хвилини, поки спочатку плоска піщана поверхня не стане формованою в разюче регулярну серію вітро-поперечних округлих хребтів і жолобів, які називаються вітровими брижами або еоловими брижами. Типовий інтервал вітрових брижів становить близько декількох сантиметрів, хоча вони стають більшими в погано відсортованих та/або грубіших осадах. Вони дуже повільно зміщуються в напрямку проти вітру, шляхом руху осаду вгору по боках вітру і осадження цього осаду на флангах проти вітру.

Існує тенденція до того, що розмір частинок буде трохи грубішим на гребенях брижів і трохи тоншим у коритах. Давним-давно Р.А. Баньольд, піонер у вивченні транспорту еолових відкладень, розробив вражаюче візуальну демонстрацію цього ефекту 422, зробивши брижі вітру в ретельно змішаному піску двох різних кольорів в аеродинамічній трубі: коли брижі розвиваються, поверхня ліжка розчиняється в чергуються смуги двох різних кольорів прямо перед очима!

Еолієві дюни не так просто зробити в експериментальних аеродинамічних трубах, оскільки їх мінімальний масштаб занадто великий. Майже все, що ми знаємо про дюни, - це з досліджень у галузі. Однією з великих проблем у вивченні еолових дюн є те, що в світі не так багато місць, що характеризуються дійсно стійкими вітрами: очевидно, швидкість вітру змінюється з часом, але в більшості місць напрямок вітру суттєво змінюється. Ніхто насправді не знає, як виглядає еталонний випадок дюн, утворених стійким вітром над повною піщаною поверхнею фактично нескінченної протяжності.

Еолові дюни приймають безліч різних форм, і загальноприйнятої класифікації немає. Читається про лінійні дюни, поздовжні дюни, дюни півмісяця, дюни сейфа, косі дюни, барханові дюни, зоряні дюни та багато інших. Я думаю, що досить задовільним, але спрощеним способом класифікації дюн є визнання трьох видів дюн, утворених на повних піщаних пластах залежно від орієнтації щодо домінуючого пісочного вітру:

• поперечні дюни, орієнтовані нормально на вітер
• поздовжні дюни (також звані сейф-дюнами), орієнтовані паралельно вітру
• косі дюни, орієнтовані косою до вітру.

Навіть незрозуміло, динамічно відрізняються ці три основні види один від одного чи ні. Дюни, утворені вітрами, що дме з різних напрямків без домінуючого напрямку руху піску, називаються зоряними дюнами. Зоряні дюни зустрічаються там, де піщано-транспортні шляхи сходяться, утворюючи піщану «раковину» або пісочно-складську зону. Нарешті, дюни, що утворилися в районах, де не вистачає піску, щоб заповнити корита нерухомим субстратом, мають характерну форму півмісяця, називаються барчановими дюнами. Існує безперервний перехід в геометрії від барханових дюн до поперечних дюн, оскільки товщина піску збільшується щодо розмірів дюн, так що все менше і менше жолобів виставляють нерухомий субстрат.

Звичайно, дюни зустрічаються не тільки в пустель. Прибережні дюни поширені уздовж багатьох берегових ліній, де берегові вітри забирають пляжний пісок і несуть його вглиб, утворюючи пояси дюн, вузькі або широкі. Обов'язковою умовою для будь-якої ділянки піщаних дюн є джерело піску. У пустель цим джерелом може бути свіжовідкладений річний осад, де річка, нарешті, втрачає всю свою воду шляхом проникнення в русло річки, або просто область, де пісок з піщаникової породи звільняється повільним вивітрюванням.

Якщо запас піску рясний і транспорт послідовно йде в одному напрямку від джерела, величезні ділянки пустель можуть бути покриті рухомим піском. Такі райони зазвичай мальовничо називають піщаними морями. Піщані моря особливо помітні в Північній Африці та Аравійському півострові.

Читання

Аллен, П.А., 1997, Поверхневі процеси Землі. Наука Блеквелла, 404 с. (Глава 10)

Баньольд, Р.А., 1941, Фізика піску та пустельних дюн. Чепмен і зал, 265 с.

Блум, А.Л., 1998, Геоморфологія; Систематичний аналіз пізньокайнозойських форм рельєфу, третє видання. Прентіс Холл, 482 с. (Глава 13)

Істербрук, D.J., 1999, Поверхневі процеси та форми рельєфу, друге видання. Прентіс Холл, 546 с. (Глава 17)

Грилі, Р., 1985, Вітер як геологічний процес, на Землі, Марсі, Венері та Титані. Кембриджський університетський прес, 333 с.

Пай, К., і Цоар, Н, 1990, Еолові піщані та піщані дюни. Унвін Хайман,