Подуло вітром
Є багато героїчних історій про Ервіна Роммеля. Військові романтики кажуть, що той факт, що фельдмаршал Африканського корпусу програв битву проти генерала Монтгомері, був винним лише в тому, що британці в переважній більшості сильні в Північній Африці. Справді, поразку "лисиці пустелі" в Ель-Аламейн можна віднести до людини на ім'я Ральф Багнольд. Британський гренадер був одержимий пустелею - ще в 20-х роках він їхав Лівією та Єгиптом на переобладнаних транспортних засобах. Багнольд знав море піску, як свою долоню. Хоча німецькі війська могли пройти лише певні безпечні маршрути зі своїми танками, британські спеціальні командування під керівництвом Багнольда перетнули найщільніші барханні поля. Можливо, у Роммеля був би шанс, якби він прочитав класичну книгу Багнольда, опубліковану в 1941 році, про фізику видування піску та переміщення дюн.
60 років потому британський півонер-дюна знайшов гідного наступника: Ганса Юргена Геррмана, професора Інституту комп’ютерних програм університету Штутгарта. Пригода написана на обличчі Геррмана: засмагла на сонці шкіра, розтріпане вітром волосся і міцна триденна борода. Але фізик, який народився на Кубі і виріс у Колумбії, який 17 років досліджував і викладав у Парижі, веде боротьбу не проти іноземних держав, а проти хаосу в своєму кабінеті. Тут є незліченна кількість зразків піску з усього світу - і багато інших крихких речей, на яких 49-річний юнак досліджує фізику зернистих середовищ. За потреби це можуть зробити і монети: Геррман затиснув їх між двома скляними пластинами - і тим самим демонструє, що маленькі копійки ковзають між великими шматками знака. Ви також можете використовувати центи та євро. Той самий ефект винен у тому, що в шоколадних мюслі густий, м’який рис завжди витікає з упаковки першим, і вам доведеться так довго чекати смачних шоколадних чіпсів.
Зазвичай експерименти Геррмана відбуваються не в лабораторії, а в комп'ютері. Чотири роки тому він першим змоделював на комп'ютері, як висота, потік піску та швидкість вітру пов'язані в так званих серпових дюнах - одній із сотні дюн. Насправді, три зв’язані диференціальні рівняння з двома змінними давали не лише гарні результати - як, наприклад, простіші моделювання іншими колегами раніше, - але й ті, які були в гармонії з природою. Це викликало фурор у професійному світі і нещодавно принесло Геррману наукову премію імені Макса Планка, наділену 125 000 євро.
Два роки тому, під час експедицій до Марокко та Бразилії, Геррман перевірив, чи справді дюни в дикій природі поводяться як їхні цифрові дублі. Його дослідження підтвердили, що довжина, ширина і висота серпних дюн завжди змінюються пропорційно. Геррманн також зафіксував, як швидкість вітру поводиться над профілем дюни і як волога впливає на в'язкість піску. У сезон дощів дюни можуть змінити свою форму - тоді вітер дме у внутрішню арку серпа. Сам Геррман був вражений тим, що його моделювання дало набагато точніші результати, ніж найкращі вимірювальні прилади. Це пов’язано з тим, що вимірювання в дюнах - наприклад, швидкість вітру та транспорт матеріалу - можна проводити лише з великою сіткою, оскільки дюни великі, а вимірювальні прилади дорогі, що обмежує їх кількість. Отже, вимірювання є лише вибірковими, і дослідники інтерполюють між собою. Це робить дані неточними. Однак при комп'ютерному моделюванні параметри для кожної точки можна розрахувати в будь-який час. Можна також сказати: «Обчислювальна мережа» є більш тісною і, отже, більш точною, ніж «вимірювальна мережа» за своєю суттю.
Штутгартський професор досліджував ще одне явище в прямому ефірі. Ральф Багнольд вже спостерігав у своїх пустельних турах, що від певної швидкості вітру - близько 18 кілометрів на годину, як ми знаємо лише сьогодні - дюна піднімається над дюною
створюється піщана завіса заввишки близько п’яти сантиметрів. У цьому так званому засолюванні піщинки висмоктуються повітряними вихорами і прискорюються вітром. Через певну відстань вони знову падають і вибивають нові зерна.
У своїх алгоритмах Германн дозволяє одночасно пролітати в повітрі мільярди піщинок: те, що займає кілька років у природі, працює на високопродуктивних комп’ютерах за кілька годин. Потім відеокліп знову підсумовує процес до кількох секунд. Пісковий каскад також можна дослідити у аеродинамічній трубі, каже Геррман, але оператори таких систем - наприклад, колеги з сусіднього Інституту статистики та динаміки аерокосмічних конструкцій - не викликають ентузіазму, коли пісок потрапляє в шестерні їх дорогих тунелів. Геррман хоче продовжувати - навіть без дорогих експериментів: "Квантову фізику зрозуміли, а природу ні".
Наприклад, тривалий час було незрозуміло, чи є дюна солітоном у математичному сенсі. Якби це було так, дві дюни повинні були б проникати одна в одну, не взаємодіючи - як хвилі, коли ви кидаєте два камені у воду. Спостереження дослідників дюн спочатку говорили на користь теорії солітону: коли маленька, швидка дюна зустрічає ззаду велику, повільну дюну, маленька дюна спереду через деякий час залишає піщаний пакет - ніби вона наздогнала свого старшого брата.
Якщо Геррман дозволить своїм моделюванням виконувати фільм, навіть неспеціаліст відразу побачить, що це спостереження оманливе. Швидше, існує якийсь дюнний канібалізм: мала дюна гризе задню частину великої, поки вона не стане такою ж великою, як і сама. Вона втрачає швидкість у процесі. Передня дюна поспішає, як маленька дюна після своєї "дієти", іноді на кінцях серпа виникають маленькі дитячі дюни. "Комп'ютерні розрахунки важливі, оскільки вони часто суперечать інтуїції", - рекламує Герман. Іспанські інженери, які 40 років тому побудували 20-кілометрову конвеєрну стрічку для транспортування фосфатів із Західної Сахари до узбережжя Марокко, посеред поля з тисячами серпових дюн, також можуть сказати вам щось про це. Оскільки вони хотіли бути розумними, вони поставили конвеєр на палях висотою 15 метрів, щоб дюни висотою до 10 метрів могли пірнати під ними. Але все склалося інакше: дюни зачепились на палях і завалилися настільки високо, що об’єкт за кілька років був повністю затоплений піском.
Вчені Інституту фізичної статистики в Парижі за допомогою лабораторних досліджень виявили зовсім інше явище - пісню дюн. Дослідник Марко Поло захопився цими звуками. У світі налічується близько 20 таких бурючих дюн. Його звук дуже низький на рівні 100 Герц і на 100 децибел майже такий же гучний, як відбійний молоток. Іноді тони такі грубі, як шум двигуна, іноді майже чисті. Стефан Дуаді
досліджували дюни на півдні Марокко, які «співають» майже безперервно. Він виявив, що глина створюється, коли пісок відламує гребінь дюни і сповзає зі спини. Ковзний шар має товщину десять сантиметрів і складається приблизно з 500 шарів, в яких піщинки труться одне про одне. Оскільки шари синхронно ковзають один по одному, створюються дивовижно дзвінкі тони. "Нашого розуміння ще недостатньо для моделювання процесу на комп'ютері", - каже Дуаді.
Жителі Нуакшота, столиці Мавританії, не мають нічого спільного з піснею дюн. Вони постійно біжать від піщаних вальців, які рухаються до 30 метрів на рік. З одного боку, будинки закопують під масами піску, з іншого - мешканці будують нові. Перегородки та штучно створена рослинність тепер повинні допомогти зламати потужність дюн. Люди в Сахарі не самотні у своєму горем: у Європі є навіть дюни, наприклад на німецькому узбережжі Північного моря. Але ці піщані валики закріплені таким чином, що вони не загрожують будинкам і маршрутам руху.
Те, що є благом для місцевих жителів, має великі недоліки для природи. Хаїм Цоар з Університету Бен-Гуріона в Беершеві, Ізраїль, виявив, що в брукованих дюнах менше біорізноманіття. Експерт з дюн також виявив, що рухомі дюни діють як гігантські мітли та чисті пляжі від бруду. З цієї причини люди у всьому світі знову обговорюють можливість витягання брукованих дюн з повідця.
Першою відповіла Бразилія. На півночі країни величезне поле дюни Мараенсес було оголошено природним заповідником - ви добре заробляєте разом з туристами, які хочуть побачити природне видовище. Якщо вам пощастить, ви також зустрінете там Ганса Геррмана, який планує частіше їздити до Бразилії протягом наступних кількох років. Геррман не базікає з призовим фондом - він хоче використовувати його для вимірювання подальших дюн з колегами з Університету Порто-Алегрі. У вересні основна увага приділяється впливу рослинності на міграцію дюн. Геррманн ввів у свою модель розрахунку рівняння, яке враховує цей вплив.
Наступна поїздка Геррмана складає близько 60 мільйонів кілометрів - але фактично на комп’ютері. Призначення - сусідня планета Марс. Геррман хоче спробувати вивести склад піску з форми дюн там. Все, що потрібно його рівнянням як вхідні дані, вже досліджено космічними зондами, наприклад, щільність атмосфери або швидкість вітру, яка сягає понад 200 кілометрів на годину на червоній планеті. Ральф Багнольд цього разу не заважає йому, і жоден інший дослідник теж не мав ідеї. Герман: "Бути першим завжди складно".
Професор Штутгарта вперше на комп'ютері змоделював, як мігрують дюни.
На сьогодні всі спроби стримувати міграцію піску в Сахарі не мали успіху.
Моделювання також може надати інформацію про пісок на сусідній планеті Марс.