Физики разобрались в переползании подводных дюн через препятствия

Cambridge University / Youtube

Физики экспериментально исследовали процесс взаимодействия подводных квазидвумерных дюн с препятствиями различной формы. Они выяснили, что при сопоставимых размерах дюны и препятствия от формы последнего зависит, пройдет дюна дальше или задержится на нем. Это может быть полезно при проектировании инфраструктуры в песчаных районах. Исследование опубликовано в Physical Review Fluids, кратко о нем пишет Physics.

Когда сыпучий осадок, например, песок, подвергается длительному воздействию потоков воздуха или воды, он со временем собирается в дюны. Песчаные холмы отличает от других форм рельефа подвижность, хотя и не очень большая по сравнению с привычными человеку скоростями. Вторжение дюн может стать большой проблемой для инфраструктуры и сельского хозяйства. Известно, что такие подвижные отложения могут засыпать железные дороги, мосты и даже целые здания, расположенные в пустынных регионах. Миграция же подводных дюн чревата изменением подводного рельефа, что ставит под угрозу глубоководные трубопроводы и кабели.

Для защиты от дюн применяются различные методы их стабилизации, в том числе и механические препятствия. Вместе с тем на сегодня нет надежных физических моделей, которые бы давали количественную оценку того, насколько хорошо препятствие задерживает или, наоборот, пропускает дюны. Последнее было бы полезно также и для объектов инфраструктуры, для которых нежелательно оказаться под слоем песка, например труб.

Первый шаг в этом направлении сделала группа британских физиков под руководством Кароля Бачика (Karol Bacik) из Кэмбриджского университета. Они теоретически и экспериментально исследовали столкновение квазидвумерных подводных дюн с препятствиями разнообразной формы и размеров. Авторы создавали дюны на дне бассейна в виде тонкого цилиндрического слоя толщиной девять сантиметров и радиусом чуть меньше метра. Бассейн с лопастями большой мешалки наполняли водой до уровня 45 сантиметров. Перемешивая воду с определенной скоростью вместе с вращением бассейна, физики создавали водные потоки, которые приводили к формированию и миграции дюн.

В качестве сыпучего материала для дюн выступали стеклянные сферические частицы диаметром 1,17 миллиметра, которые собирались в плоские дюны массой два килограмма. Физики размещали на их пути полистирольные препятствия в виде цилиндров и призм различных размеров и форм. Чтобы препятствия не портились под длительным воздействием песка и сохраняли гладкость в течение всего цикла исследований, ученые защищали их скотчем. Авторы провели серию из 15 экспериментов с разными препятствиями, глубинами погружения лопастей и скоростями перемешивания, чтобы определить, как эти параметры влияют на то, задержится дюна препятствием или пройдет дальше. Детали процесса они фиксировали с помощью внешней камеры, чья съемка была нужным образом синхронизирована с вращением бассейна, а также с помощью камеры, закрепленной напротив препятствия.

В результате физики выяснили, что все взаимодействие между дюнами и препятствиями качественно сводится к двум разным исходам: прохождению либо захвату. В ситуации, когда размер препятствия много больше, чем высота дюны, она в основном захватывалась. Если же их размеры оказывались сопоставимыми, то исход сильно зависел от формы препятствия. Так, плавные препятствия, например, цилиндры, способствуют прохождению, в то время как резкая преграда в виде тонкого прямоугольника с большой вероятностью останавливает дюны. Это может быть важно при конструировании объектов инфраструктуры в пустынных районах в зависимости от того, нужно ли останавливать дюны или лучше позволить им мигрировать без задержки.

Несмотря на то, что сам по себе результат кажется достаточно очевидным, работа физиков стала первой попыткой формализации процесса распространения дюн через преграды в условиях контролируемого эксперимента. И хотя для этого пришлось пожертвовать одной размерностью, их эксперимент может стать эталоном, а двумерная модель – отправной точкой для построения численных моделей реальных дюн. Вместе с тем квазидвумерные дюны можно использовать для описания достаточно протяженных реальных дюн, чей срез ведет себя похожим образом.

Ранее эта же группа исследовала взаимодействие дюн и выяснила, что при некоторых условиях они способны образовывать асимметричные пары на расстоянии.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.