11.2: Засолювання I

Вступ

Характерним режимом руху частинок піску в повітрі є засолювання: частинки запускаються з пласта, приймають арочні траєкторії широко різної висоти і довжини і виплескуються вниз на ложе під низькими кутами, зазвичай відскакуючи і/або приводячи в рух інші частинки. Термін, введений в геологію Макгі (1908, стор. 199), походить від латинського дієслова saltare, що означає стрибати або стрибати. Рух шляхом засолювання також був викликаний для водного транспортування частинок біля ліжка (див. Розділ 10), хоча відмінність засолювання у воді не настільки ясна, як у повітрі.

Засолювання в повітрі стало добре відомим завдяки раннім експериментальним дослідженням Баньольда (1941), Чепіля (1945), Цінгга (1952) та ін. В останні роки приділяється велика увага до засолювання еолов, частково через зростаючу стурбованість опустелюванням, а також частково через інтерес до того, як осад транспортується вітром на інші планети - особливо, Марс. Ранні дослідження засолювання в значній мірі стосувалися характеру і динаміки траєкторій засолювання. Пізніше, особливо в кінці 1980-х і початку 1990-х років, акцент, як правило, зміщувався до більш уніфікованого розгляду загальної системи засолювання, виробленої стійким вітром. Останніми роками це поширилося на вивчення засолювання при нестаціонарних вітрах, характерних для природних середовищ. Крім того, у міру зростання обчислювальної потужності стало можливим розробляти все більш складні числові моделі засолювання.

Вивчення засолювання можна розглядати як потрапляння на кілька суміжних областей:

• поріг руху
• сили, що викликають зліт
• геометрія і динаміка траєкторій частинок, включаючи розподіли висоти стрибка і відстані стрибка
• вплив швидкості вітру та розміру осаду, сортування та форми частинок на режим засолювання та швидкість транспортування засолювання
• вплив хиткості вітру на засолювання
• вплив солоної хмари на структуру приповерхневого вітру

Певною мірою штучно розглядати ці теми окремо, але, тим не менш, це здається корисним для розвитку чіткого розуміння. Відповідно, кожна з цих тем розглядається в розділах нижче, після деяких зауважень про спостереження засолювання.

Частинки засолювання є дуже абразивними, через їх дуже велику відносну інерційність - набагато більше, ніж для частинок, що переносяться водою. Як природні, так і штучні тверді матеріали на висоті всередині засолювальної хмари, навіть тверді породи, поступово стираються. Солоний пісок також ліпить характерні еолові форми рельєфу. Такі теми не входять в рамки цих заміток.

Оскільки розмір частинок при засолюванні зменшується до мулового діапазону, зменшення маси частинок означає посилення впливу турбулентності на траєкторії частинок. Швидкість вітру важлива і в цьому відношенні, оскільки характерна величина коливань швидкості від вихрових до вихрових збільшується із середньою швидкістю вітру. При досить дрібних розмірах частинок і при досить сильних вітрах частинки переносяться в суспензії, а не в засолюванні; див. Рисунок\(\PageIndex{1}\) (в тому ж дусі, що і рис. 10.3.1 в главі 10), показуючи в мультиплікаційній формі області відмінних режимів руху частинок еолію як функція розміру осаду і швидкості вітру. Те, що відомо про перехід від засолювання до суспензії, описано в більш пізньому розділі цієї глави.

Малюнок 2 Оуена, 1964 р.)

 

Зазвичай розрізняють засолювання, завдяки якому частинки приймають балістичні екскурсії значно над шаром, і поверхневою повзучістю (також називається ударною повзучістю або рептацією), в результаті чого частинки переміщуються на невеликі відстані, не втрачаючи контакту з поверхнею ліжка. Частинки, які занадто великі для переміщення в засолюванні (але не настільки великі, щоб бути нерухомими при даному вітрі) характерно вступають в поверхневу повзучість. Частинки розмірів, сприйнятливі до засолювання, також можуть рухатися як повзучість, однак, якщо удару засолювання достатньо лише для надання незначного руху даної частинки на поверхні шару. Навіть у дуже добре відсортованих відкладах поверхнева повзучість, а також засолювання є важливим видом транспорту.

Спостерігаючи засолювання

Найкращий спосіб оцінити засолювання - це спостерігати за ним самостійно. Уявіть себе на поверхні піщаної дюни у вітряний день. Якщо ви отримаєте рівень очей до декількох дециметрів поверхні - ви ризикуєте отримати пісок в очі, вуха, ніс і рот - і погляд горизонтально поперек вітру, ви бачите розмитий шар солоного піску, з концентрацією, що відходить вгору на цілих метр над поверхнею. Ви бачите характерне засолювання хмари. На жаль, ваше око не може легко слідувати траєкторіям окремих частинок.

Щоб чітко бачити траєкторії засолювання, потрібно побудувати власну аеродинамічну трубу (рис.\(\PageIndex{2}\)). Це не складна справа, навіть якщо ви перебуваєте на обмеженому бюджеті і маєте не більше місця, ніж зазвичай велика запасна кімната. Класична аеродинамічна труба «Bagnold» складається з горизонтального прямокутного воздуховода, ширше високого і з розкльошеним входом, що спорожняється у велику коробку, обладнану вентилятором, встановленим високо в стіні навпроти нижнього кінця воздуховода. Якщо виготовити покрівлю воздуховода у вигляді декількох знімних сегментів, то легко отримати доступ до піщаного ложу. Оскільки вентилятори з безступінчастою швидкістю нелегко отримати або організувати, було б корисно встановити регульований жалюзі безпосередньо поза вентилятором, щоб встановити швидкість вітру в каналі до будь-якого бажаного значення. Покладіть в плоску ложе середній пісок в повітропровід, включіть вентилятор і поступово збільшуйте швидкість вітру, поки не встановиться засолювання. Єдина суттєва різниця між засолюванням у вашій аеродинамічній трубі та засолюванням, яку ви спостерігали на піщаній дюні, полягає в тому, що діапазон вихрових розмірів у повітроводі набагато менший, наслідком чого є те, що вітер не настільки поривчастий: засолювання набагато ближче до того, щоб бути стійким (незмінний з часом).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Проста, але ефективна аеродинамічна труба.

 

Щоб побачити траєкторії засолювання (рис.\(\PageIndex{3}\)), виріжте тонку щілину уздовж центральної лінії даху тунелю, недалеко від кінця проти вітру, і змонтуйте сильне джерело світла над щілиною, з другою щілиною між стробоскопом і дахом, для хорошої колімації. За допомогою такого розташування ви можете висвітлити тонкий струмовий шматочок потоку. Траєкторії засолювання частинок, які рухаються в цьому освітленому зрізі, добре проявляються як викривлені яскраві смуги. Ще краще буде використовувати стробоскоп в якості джерела світла. Потім траєкторії з'являються у вигляді серії близько розташованих освітлених точок. Якщо концентрація засолювальних частинок не надто висока, щоб окремі траєкторії можна було дискримінувати, то, зробивши досить ретельні вимірювання фотографічного зображення, можна було б обчислити швидкості і прискорення окремих засолюючих частинок по їх траєкторіях.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Розташування освітлення, щоб побачити траєкторії засальтації.

Траєкторії засолювання

Загальна природа траєкторій засолювання частинок відома з ранніх описів багатьох дослідників, зокрема Баньольда (1941) та Цінга (1953), але також у кількох пізніших дослідженнях. Малюнок\(\PageIndex{4}\), з Maegley (1976), являє собою зображення типової траєкторії засолювання з ранньої літератури про засолювання. Після запуску наступний шлях частинки є результатом постійної низхідної сили тяжіння (тобто ваги частинки), з одного боку, і сили перетягування рідини, викликаної рухом частинки щодо навколишнього повітря, яка розвивається, коли частинка проходить свій шлях.

Хоча деякі автори описали траєкторію засолювання як параболічну, що відразу видно про траєкторію на малюнку\(\PageIndex{4}\), полягає в тому, що вона асиметрична: кут зльоту набагато більший за кут удару. Можна зробити ще два значущих спостереження щодо траєкторій засолювання: вони опуклі вгору по всьому ходу, від зльоту до посадки; а їх довжина, від зльоту до посадки, набагато більша за максимальну висоту, яку вони досягають.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Типова траєкторія засолювання. (Від Меглі, 1976.)

 

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Якісні траєкторії частинок, запущених під фіксованим кутом від горизонтальної поверхні: А) у вакуумі; Б) у повітря в стані спокою; С) у вітровий потік зі швидкістю, більшою за початкову горизонтальну складову швидкості частинок.

 

Ви можете отримати деяке якісне уявлення про асиметрію та висхідну опуклість траєкторій засалтування, зазначених вище, за допомогою простого мисленнєвого експерименту на прискореннях частинок. Припустимо, що частка якось запускається в повітря під якимось представницьким кутом, скажімо сорок-п'ятдесят градусів, з якоюсь початковою швидкістю (рис.\(\PageIndex{5}\)). Якщо середовище - вакуум, ви знаєте з елементарної фізики, що траєкторія руху частинки, від зльоту до посадки, була б ідеальною параболою (рис.\(\PageIndex{5}\) А). Якщо середовищем є повітря в стані спокою, то висота траєкторії була б трохи меншою, оскільки повітряний опір додає спадної сили тяжіння і робить вертикальну складову уповільнення під час підйому меншою. Повітряний опір також діє на зменшення горизонтальної складової швидкості протягом усього ходу траєкторії, тому спуск частинки відбувається під більш крутим кутом, ніж підйом (рис.\(\PageIndex{5}\) В).

Тепер припустимо, що частка запускається під тим же кутом і початковою швидкістю в потік вітру. Є два випадки, які слід розглянути:

1. початкова швидкість частинки менше, ніж у вітрового потоку, і
2. початкова швидкість частки більше швидкості вітру. (Тут для простоти ми припускаємо, що через логарифмічну форму профілю швидкості частинка проходить лише дуже тонкий шар низької швидкості вітру в безпосередній близькості від поверхні і після цього виявляється на більшій частині свого шляху в області, в якій швидкість вітру майже постійна. з висотою. Це не завдає шкоди нашому мисленному експерименту першого порядку.)

Якщо початкова швидкість частинки більша за швидкість вітру, вітер викликає горизонтальне уповільнення, як і у випадку запуску в нерухоме повітря. Якісно форма траєкторії така ж, як і у випадку з запуском в нерухоме повітря (рис.\(\PageIndex{5}\) Б). Якщо ж початкова швидкість частки менше швидкості вітру, вітер викликає горизонтальне прискорення, а крутизна висхідної частини траєкторії менше (рис.\(\PageIndex{5}\) С). Крутизна і форма спадної частини траєкторії залежить від відносної важливості низхідного тяги сили тяжіння і залишився горизонтального прискорення, але в будь-якому випадку шлях вниз менш крутий, ніж висхідна частина. З цієї простої вправи можна зробити висновок, що, порівнюючи рис.\(\PageIndex{5}\) С з малюнком\(\PageIndex{4}\), при типовому засолюванні частка запускається у вітер з меншою горизонтальною складовою швидкості, ніж швидкість вітру в регіоні, значно вище поверхні.

Після ранніх спостережень траєкторій засолювання Баньольдом (1941) та Чепілем (1945) багато авторів припускали, що частинки зазвичай залишають русло під крутим, майже вертикальним кутом. Ретельні вимірювання частотного розподілу кутів зльоту Уайтом і Шульцем (1977), за допомогою описаної вище методики для перегляду траєкторій залтування в аеродинамічній трубі разом з швидкісним кінематографом показали, що середній кут зльоту був\(50^{\circ}\), і менше ніж\(10 \%\) у Спостережувані частинки мали кути зльоту більше, ніж\(80^{\circ}\) (рис.\(\PageIndex{6}\) А). Примітною особливістю розподілу, показаного\(\PageIndex{6}\) на малюнку А, є те, що розподіл сильно перекошений: режим лежить в діапазоні\(20–40^{\circ}\), а розподіл хвостів стійко відходить до більш крутих кутів, але не менше, ніж\(20^{\circ}\) були виміряні. Уайт і Шульц також виявили, що середній кут удару в кінці траєкторії засолювання був\(14^{\circ}\) (рис.\(\PageIndex{6}\) B), а розподіл був набагато більш майже симетричним.

Рисунок\(\PageIndex{6}\): Частотний розподіл A) кута зльоту і B) кута удару для\(0.5\)\(\mathrm{mm}\) скляних сфер, що засолюються в аеродинамічній трубі (Від White and Schulz, 1977.)

 

Результати, отримані Уайтом і Шульцем, можуть бути поставлені під сумнів, оскільки вони були отримані з однорозмірних скляних сфер. Більш пізні дослідження виявили нижчі кути запуску. Willetts and Rice (1985), використовуючи природні піски, вимірювали середні кути зльоту\(52–54^{\circ}\) для частинок, викинутих із спокою ударами вже засолюючих частинок, але значно менших середніх кутів\(21–33^{\circ}\) для відскоків вже засолюючих частинок. Nalpanis et al. (1993) вимірювали кути зльоту\(35–41^{\circ}\), для природних пісків, а Nishimura і Hunt (2000) виміряли ще нижчі кути зльоту\(21–25^{\circ}\) для крижаних сфер і для сферичних насіння гірчиці. Якщо на поверхні шару присутні великі і нерухомі частинки, більш дрібні частинки при засолюванні спостерігаються відскік від них при ударі під іноді дуже крутими кутами, в деяких випадках навіть з компонентом у напрямку, протилежному вітру.

Довжина засолювання

Чому довжини траєкторій засолювання набагато більше висот? На початку цієї глави було відзначено, що відносна інерція частинок піску в повітрі надзвичайно велика, але тим не менше повітря в усі часи чинить силу опору на частинки, оскільки завжди існує різниця між швидкістю частинки і швидкістю вітру. Тільки для дуже дрібних частинок пилу в суспензії ця різниця швидкостей стає незначною.

Уайт і Шульц (1977) також вимірювали швидкості зльоту і ударні швидкості засолювання частинок (рис.\(\PageIndex{7}\)). Швидкість зльоту в середньому приблизно\(70\)\(\mathrm{cm/s}\), не набагато більше швидкості тертя\(u_{*}\) —але майте на увазі, що таке значення\(u_{*}\) відповідає швидкості вітру в кілька метрів в секунду лише на кілька сантиметрів над ліжком. Припустимо, що частинка піску запускається вертикально в вітровий потік з такою швидкістю. Піднімається частинка майже відразу стикається з набагато більшими швидкостями вітру. У будь-який заданий момент швидкість частинки щодо повітря - векторна різниця між швидкістю частинки щодо землі і горизонтальною швидкістю вітру щодо землі (рис.\(\PageIndex{8}\)). У початковій, що піднімається частині траєкторії ця векторна швидкість спрямована вгору і вгору по вітрі.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Частотний розподіл А) швидкості зльоту і B) швидкості удару для\(0.5\)\(\mathrm{mm}\) скляних сфер, що засолюються в аеродинамічній трубі (Від White and Schulz, 1977.)

 

Малюнок\(\PageIndex{8}\): Швидкість засолювання частинки щодо навколишнього повітря. \(\text{V}_{\text{w}} =\)швидкість вітру;\(\text{V}_{\text{pg}} =\) швидкість частки щодо землі;\(\text{V}_{\text{pw}} =\) швидкість частки щодо вітру.

 

Баньольд (1941) припускав, що важливість впливу швидкості частинок щодо повітря може бути охарактеризована відношенням сили опору рідини до ваги частинок, величиною, яку він назвав сприйнятливістю (хоча цей корисний термін згодом не поширювався через літературу на засолюванні). Малюнок\(\PageIndex{9}\), з Bagnold (1941), показує сприйнятливість декількох розмірів піску в залежності від швидкості вітру. З малюнка видно\(\PageIndex{9}\), що для відносних швидкостей кілька метрів в секунду сприйнятливість розмірів між\(0.3\)\(\mathrm{mm}\) і\(1.0\)\(\mathrm{mm}\) - які значною мірою охоплюють діапазон розмірів засолювальних частинок - лежить приблизно від одного до десяти: опір повітря більше, ніж частинка. вага, але не набагато більше. Мається на увазі, що опір повітря не сильно впливає на деталі траєкторії засолювання, але важливий для визначення загального ходу траєкторії. Якби опір рідини був набагато менше, довжина засолювання була б зменшена. Наступним наслідком, здається, є те, що для траєкторій засолювання на Марсі, де\(\rho_{s}/\rho\) коефіцієнт щільності навіть більше, ніж на Землі, висота засолювання повинна бути більшою, відносно довжини засолювання, ніж на Землі.

 

Малюнок\(\PageIndex{9}\): Сприйнятливість двох розмірів частинок як функція швидкості вітру. (Від Баньольда, 1941.)

 

Середні швидкості удару приблизно\(160\)\(\mathrm{cm/s}\) вимірюються Уайтом і Шульцем (рис. \(\PageIndex{7}\)) значно менше швидкості вітру на висотах, пройдених частинками біля вершин їх траєкторій засолювання. Враховуючи, що швидкість вітру більша за висоту лише кілька сантиметрів, ці значення швидкості удару говорять нам про те, що вітер майже не «закінчив роботу» з прискорення частинки до переважної швидкості вітру, перш ніж частка опуститься, щоб знову сплеснути на ліжко.

Вищевказаний матеріал є лише коротким якісним введенням в траєкторії засолювання. Кілька авторів, починаючи з Баньольда, розробили методи обчислення траєкторій залтування; див., наприклад, Оуен (1964) і Уайт і Шульц (1977). Як зазначає Баньольд, це по суті та ж проблема, що і практичний розрахунок траєкторій гарматних ядер і артилерійських снарядів. Основна обчислювальна проблема полягає в тому, що ні швидкість, ні перетягування рідини на частинку не можна припустити самостійно: вони еволюціонують разом.

Висоти засолювання та ефект Магнуса (Робінса)

Здається, поширена думка, що приповерхнева зона засолювання (солона хмара) має чітко окреслену верхню межу. Частково це може бути пов'язано з твердженням у впливовій книзі Баньольда 1941 року про те, що солона хмара має «чітко позначену верхню поверхню» (стор. 10). Крім того, Оуен у своїй класичній статті 1964 року ілюструє серію траєкторій засолювання все з однаковою формою, висотою та довжиною (його рис. 1), який випадковий читач міг припустити, мав на меті представляти справжню засолювання, але Оуен насправді подбав, щоб вказати, що фігура призначалася лише для ілюстрації спрощуючи припущення, які він зробив у своєму дослідженні, і що засолювання «в реальності повинно бути наділене певною випадковістю» (Owen, 1964, стор. 226).

З пізніших спостережних досліджень зрозуміло, що для даного піску і вітру існує значна різниця в висоті, на яку піднімаються засолювальні частинки. Це, мабуть, найбільш наочно показали результати вимірювань швидкості транспортування піску в залежності від висоти над шаром. Використовуючи ліжка помірно добре відсортованого піску, як Zingg (1953), так і Williams (1964) виявили, що швидкість транспортування осаду, на одиницю ширини через вітер і для одиниці висоти над ліжком, змінювалася як негативна експоненціальна функція висоти над ліжком. Кілька пізніших досліджень показали подібні результати. (Детальніше про швидкість транспортування піску при засолюванні див. Пізніше розділ.)

Якщо ви повернетеся до того, що ви дізналися у фізиці I, ви можете легко обчислити теоретичну висоту, до якої солона частка підніметься в протилежному випадку відсутності повітряного тягу на частинку. Частинка має деяку початкову кінетичну енергію\(mv^{2}/2\), де\(m\) знаходиться маса частки і\(v\) є початковою швидкістю частинки. Коли частинка піднімається, проти тяги сили тяжіння її кінетична енергія перетворюється в потенційну енергію висоти\(mgh\), де\(g\) відбувається прискорення за рахунок гравітації і\(h\) є висотою над шаром. Щоб знайти максимальну висоту підйому, у верхній частині параболічної траєкторії встановіть кінетичну енергію, рівну потенційній енергії і вирішіть для\(h\):\(h = v^{2}/2g\).

Значення результату без повітряного перетягування полягає в тому, що він служить еталоном для порівняння фактичних траєкторій засолювання. Зважаючи на те, що було сказано в попередніх розділах траєкторій залтування, можна зробити висновок, що реальні траєкторії завжди повинні мати меншу максимальну висоту підйому через повітряний опір. Ми б, однак, помилилися: експерименти (наприклад, White and Schulz, 1977) чітко сповільнюються, що висота засолювання навіть більше, ніж значення без повітряного перетягування (рис.\(\PageIndex{10}\)). Причина начебто криється в спині засолюють частинок.

Малюнок\(\PageIndex{10}\): Траєкторії солоної скляної сфери, розраховані лише на випадок опору (необертається сфера; пунктирна крива) та опору плюс ліфт (сфера зі швидкістю обертання\(275\) в секунду; напівпунктирна крива) порівняно із спостережуваною траєкторією (суцільна крива). (Від Білого і Шульца, 1977.)

 

Як спостерігав на початку Чепіль (1945), частинки в засолюванні мають вражаюче високі швидкості віджиму сотні обертів в секунду. Спінінг повинен якось надаватися частинкам при, і/або незабаром після зльоту в потік вітру. Спінінг генерує підйомну силу, яка діє, поки частинка знаходиться в польоті. Цей ефект спінінга зазвичай називають ефектом Магнуса для циліндрів і ефектом Робінса для сфер (рис.\(\PageIndex{11}\)). Обертання частинки змінює обтічні лінії так, що вони більше не симетричні щодо частинки: обтічні лінії ближче один до одного над частинкою, маючи на увазі, що швидкості там більше, ніж вони нижче частинки (рис.\(\PageIndex{11}\)). З рівняння Бернуллі (глава 3) випливає, що тиск менше вище частинки, ніж нижче, і частинка відчуває підйомну силу. Відомо зміна коефіцієнта підйому зі швидкістю прядіння, тому силу підйому можна розрахувати. Уайт і Шульц (1977) могли враховувати спостережувані траєкторії засолювання, лише враховуючи цей ефект. Для більшості спостережуваних траєкторій швидкість обертання не могла спостерігатися безпосередньо, але гарне прилягання спостережуваних траєкторій до теоретичних розрахунків можна було б зробити, припускаючи швидкість обертання в кілька сотень оборотів в секунду. Це відомо з фотографічних досліджень, щоб бути про правильне значення для спина.

Малюнок\(\PageIndex{11}\): Вертикальний струмовий поперечний переріз через прядильну сферу, занурену в текучу рідину, щоб проілюструвати ефект Робінса. Дивіться текст для пояснення.

Поріг руху транспорту еолового піску та питання про сили, що викликають засолювання

Зрозуміло, що ніякі частинки в спокої на широкій горизонтальній поверхні піску не приводяться в рух, поки вітер не досягне певної сили. При швидкостях вітру нижче порогу для руху сили на частинки піску такі ж, як обговорювалося в главі 9 для водних потоків, тому що динаміка рідини вітру дуже близько землі така ж для повітря, як і для води. Як і у водних потоках, характер сили рідини на частинках поверхні ліжка - сили тиску та в'язкі сили, які можуть бути вирішені на компонент опору, паралельний ліжку, і компонент підйому, нормальний до ліжка - є функцією числа частинки Рейнольдса. Насправді, багато з того, що відомо про сили підйому та опору як функції числа частинок Рейнольдса, було вивчено з експериментів в аеродинамічних трубах, починаючи з Ейнштейна та Ель-Самні (1949) та Чепіля (1958, 1961).

Труднощі у визначенні настання (або навіть існування) певної порогової сили потоку, як обговорюється в главі 9 для осаду під водними потоками, існують і для осаду під повітряними потоками, хоча і з певними важливими відмінностями. Як ви бачили в розділі 9, у водних потоках швидкість транспортування осаду в діапазоні сил потоку, для яких може бути розташований поріг, широка, а режим руху (навантаження на ліжко) однаковий у цьому діапазоні. На відміну від цього, в повітряних потоках інший режим руху осаду - засолювання - настає незабаром після початку руху, і транспортні швидкості зростають набагато швидше, коли починається рух осаду, ніж у потоках води.

Зі збільшенням швидкості вітру частинки приводяться в рух силами рідини. Починаючи з Баньольда, це називалося порогом рідини або аеродинамічним порогом. Незабаром після того, як починається рух частинок - всього за кілька секунд - відбувається засолювання, у своєрідному каскаді, завдяки якому концентрація засолювальних частинок швидко зростає до рівноважного стану. Потім, якщо швидкість вітру зменшується, засолювання з часом припиняється. Умова припинення засолювання називається ударним порогом. Одним із фактів першого порядку про засолювання є те, що поріг рідини знаходиться зі швидкістю вітру менше, ніж поріг рідини, як вперше зауважив Баньольд (1941) і підтвердив спостережливо багато разів з тих пір. Відбувається, таким чином, сильний гістерезисний ефект при засолюванні.

Існували давні суперечки щодо того, чи будуть частинки шару стрибати і котитися протягом короткого часу, перш ніж каскадувати в повністю розвинену засолювання, як це було вперше запропоновано Баньольдом (1941), чи вони вібрують на місці, у відповідь на швидко коливаються сили рідини, які вони відчувають, перш ніж нарешті бути запущений в рух над поверхнею ложа, про що повідомляють грунтознавці, що вивчають винесення частинок ґрунту вітром. Здається, консенсус полягає в тому, що у випадку частинок піску частинки піску зазнають деякого короткого руху, оскільки навантаження на ліжко протягом короткого часу, перш ніж розвивається засолювання.

Спостереження за порогом руху під повітряними потоками проводилися ще з перших днів сучасної ери досліджень руху піску вітром. Після ранніх досліджень Bagnold (1941), Chepil (1945, 1959) та Zingg (1952, 1953), Iversen et al. (1976a) зробили великі спостереження за еоловими порогами за допомогою відкладень різного розміру, щільності; їх результати (рис.\(\PageIndex{12}\)) показують майже постійне значення параметра порогових щитів для граничні числа Рейнольдса до приблизно п'яти, а потім збільшення порогового параметра Шилдса з подальшим зменшенням граничного числа Рейнольдса. Як згадувалося в главі 9, параметр Щитів для порога під повітрям дещо більше, ніж для під водою, для тих же значень граничного числа Рейнольдса.

Рисунок\(\PageIndex{12}\): Графік порогового параметра Щитів проти граничного числа Рейнольдса для спостережень порогових умов для ряду опадів під повітрям. Від Iversen et al. (1976a); їх пороговий параметр\(A\) збігається з параметром Shields, за винятком того, що\(\rho_{s}\) використовується в знаменнику замість (\(\rho_{s} - \rho\)) у змінній (\(\rho_{s} - \rho)g\), називається\(\gamma^{\prime}\) в цих примітках.

 

Ніклінг (1988) розробив експеримент, в якому частинки, нещодавно введені в рух в ближніх порогових умовах, спостерігалися за допомогою горизонтального лазерного променя, спрямованого горизонтально поперек потоку на один міліметр вище спочатку неушкодженого плоского піщаного шару. Використовувалися опади з діапазоном розмірів і сортування. Результати Ніклінга показали (Рисунок\(\PageIndex{13}\)), що для відносно погано відсортованих відкладень існує діапазон сили потоку (вимірюється швидкістю зсуву), для якого невелика кількість частинок переміщується до того, як сили потоку стануть достатньо великими для початку засолювання, після чого кількість частинок в рух різко збільшується. Однак для відносно добре відсортованих відкладень цей діапазон сили потоку ефективно зникає: засолювання починається відразу після досягнення руху, спричиненого силами рідини.

Малюнок\(\PageIndex{13}\): Графіки чисел частинок в русі, за одиницю часу і на одиницю ширини, нормальної для вітру, проти швидкості зсуву, для двох відкладень: А) відносно погано відсортований пісок, із середнім розміром\(0.77\)\(\mathrm{mm}\) і зі значенням сортування одиниць\(0.39\) phi, і B) відносно добре відсортований пісок, із середнім розміром\(0.51\)\(\mathrm{mm}\) та сортуванням одиниць\(0.15\) Phi. (Від Ніклінга, 1988.)

 

Більшість досліджень порогу транспортування еолою проводилися в аеродинамічних трубах, в яких можуть бути влаштовані майже стійкі вітри. У цій галузі спостереження за порогом набагато складніше, значною мірою тому, що вітри через природну піщану поверхню набагато густіші, завдяки набагато більшому масштабу вихрових у нижній атмосфері. У невеликих аеродинамічних трубах коливання напруги зсуву шару з часом у точці короткі щодо часових масштабів засолювання окремих частинок, тоді як у полі вони, як правило, набагато довші. Такі міркування вказують на більш пізній розділ цієї глави, про засолювання при нестаціонарних вітрах.

Сили, які спричиняють запуск частинки в засолювальний стрибок на вітрі, були суперечливими. Є два кандидати: аеродинамічні сили підйому і перетягування, і удари інших солячих частинок, коли вони плескаються вниз на ліжко. (Звичайно, обидва могли і, ймовірно, зробити, діяти узгоджено; питання в тому, що є важливішим.) Помірні та великі кути зльоту соляних частинок самі по собі не вказують на відносну важливість двох видів сил: можна припустити, що сильні аеродинамічні підйомні сили повинні відповідати за круті кути зльоту, але зрозуміло також, що аналогічно круті кути можуть бути результатом підборів при розбризкуванні. Суперечка датується ранніми днями сучасної епохи вивчення руху еолового піску: Чепіль (1945, 1961) вважав аеродинамічні сили домінуючими, тоді як Баньольд (1941) вважав, що вплив засолювання головним чином відповідає за зліт засолювання.

Здається зрозумілим, що наявність засолювальних частинок витягує імпульс від вітру всередині шару засолювання, як обговорювалося в більш пізньому розділі, тому напруга зсуву рідини на шарі повинна бути набагато меншою, ніж це було б у випадку з тим же піщаним шаром і з тим самим вищестоящим вітром, але з частинкою шару. нерухомий. Оуен (1964) пішов так далеко, що висунув гіпотезу, що напруга зсуву, що чиниться вітром на піщаному шарі, просто достатня для підтримки поверхневих частинок в рухомому стані. Наслідок цієї гіпотези полягає в тому, що аеродинамічні сили підйому і опору повинні бути набагато менш важливими в підтримці засолювання, ніж відскік частинок, а також мобілізація інших частинок, в місці зіткнення.

Теоретичні моделі безперервного засолювання, починаючи з Цучія (1969, 1970) і Райзеса (1978), демонструють, що засолювання може тривати після початку, без необхідності будь-яких сил підйому рідини або перетягування, що діють на частинки, що спираються на русло, але вони не призводять до будь-яких прогнозів щодо частинки траєкторії, які можуть остаточно відрізнити цю гіпотезу від гіпотези «рідина-сила».