Ørkenstormens gåte – snart løst?

Nå kommer jeg og tar deg! Men hvilken fysikk er det jeg bruker?

Nå kommer jeg og tar deg! Men hvilken fysikk er det jeg bruker?

Sandstormer er mektige naturfenomen. Der det er et overskudd av sand eller støv på bakken, som i en ørken, er det alltid en fare for at vinden vil piske opp et virvlende kaos av flygende korn. Sandstormer kan være like ødeleggende som en orkan, og dukker opp i alt fra historier fra Gulf-krigen og 2. verdenskrigs kamper i nordre Afrika, til Hollywood-filmer, Donaldhistorier og spenningsbøker. Men hvordan virker en sandstorm? Hvordan er det mulig for så mange sandkorn å fly så intenst rundt på en gang? Det har fysikere problemer med å forklare. Til nå. Forklaringen på sandstormers enorme styrke er minst like overraskende som stormene selv.

Et mektig naturfenomen

Rundt år 500 f.Kr. hersket kong Kambyses II i Persia. I et forsøk på å vise militær makt sendte han en hærstyrke på hele 50.000 mann til oasen Siwa i den vestlige delen av dagens Egypt. For å komme dit måtte de reise over mye av den egyptiske ørkenen. Under veis blåste en mektig sandstorm brått opp, og hele hæren ble begravet og forsvant.

Så sier ihvertfall legendene, ansporet av en nedtegnelse fra den greske historikeren Herodot. Kong Kambyses tapte hær har vært diskutert, lett etter, oppdaget, avfeid og oppdaget igjen gjennom mye av det 20. århundrets vitenskapelige og litterære historie. Per i dag vet ingen sikkert om Herodots beskrivelse er korrekt. Om den er det så er oddsene gode for at sporene er tapt i tidens sand.

Det vi derimot kan avgjøre, er om en slik hendelse er fysisk mulig. Kan en sandstorm blåse brått opp og sluke 50.000 krigere?

Naturen selv sier at svaret klart er ja. Som vanlige stormer kommer sandstormer i alle størrelser, og de største av dem kan finne på å blåse såpass mye støv og sand opp at de kan transporteres store deler av veien rundt kloden. Se på disse flotte animasjonene fra NASA-satelittbilder av stormer over Sahara og Østasia (klikk bildene for å animere):

Chinadustmovie

Dust_movie

Sandstorm 101

Når en stor sandstorm kommer mot deg ser du bare en mørk vegg av flygende sand. Spørsmålet som interesserer fysikere er hvordan vinden klarer å få all den sanden opp i luften, og så jevnt holde så mange sandkorn flygende av gangen – korn som tross alt helst vil trekkes ned igjen av tyngdekraften.

Bevegelsen i en sandstorm har tre deler. Tenk deg en rolig, flat, vindstille ørken, der vinden plutselig tar seg kraftig opp. Sandkornene på overflaten ligger ganske løst, så først vil noen av dem dyttes rullende og skliende bortover overflaten. Så, med litt mer vind, begynner det å bli interessant. Noen av kornene får luft inn under seg, og løftes opp fra underlaget. De hopper, eller «salterer» på fagspråket. Sandforskere kaller dem «saltoner».

De første hoppende saltonene blir ikke lenge i luften, men faller ned igjen på sanden. I det de faller dunker de imidlertid løs andre sandkorn, som så i tur blir nye saltoner – og så videre. Etter en stund har en liten storm bygget seg opp, bestående av tre deler: Sandkorn som kryper rullende langs bakken, de høythoppende saltonene, og dessuten en tredje, viktig del: Sandkorn som flyter bortover langs bakken slik en puck flyter over et lufthockey-bord. Vi har fått en såkalt suspensjon av sand rett over bakken, der vind og sand blander seg og flyter glatt bortover. Størsteparten av sanden som flyttes av en sandstorm kommer fra suspensjonslaget. Den mørke, høye veggen vi ser, og som er den sanden som sandblåser alt som kommer i stormens vei, er bare de høyest hoppende saltonene – en ganske liten del av hele stormen.

Nøkkelen til stormen

Fortsatt er det imidlertid noen åpenbare spørsmål her. Hvordan kommer så mange sandkorn seg opp i luften, hvordan kommer de så høyt, og hvordan blir intensiteten høyere opp i stormen så enorm?

Det første spørsmålet, om hvordan så mange korn blir saltoner, ble delvis besvart av forskere fra Michigan, USA, i en artikkel i 2008. De fant – kanskje ikke overraskende – at når sandkornene gnir mot hverandre så får de statisk elektrisk ladning, som når du gnir en ballong mot håret. Denne statiske elektrisiteten bidrar til å dytte kornene fra hverandre, og får både flere korn til å løfte seg og hjelper dem med å danne den viktige suspensjonen langs bakken.

Datasimulering av sandkorn som kræsjer ned i en suspensjon av andre korn. M. V. Carneiro et al., Phys. Rev. Lett. (2013)

Datasimulering av sandkorn som kræsjer ned i en suspensjon av andre korn. M. V. Carneiro et al., Phys. Rev. Lett. (2013)

Den virkelige overraskelsen kom imidlertid helt nylig, i en artikkel i Physical Review Letters 2. august 2013. Der har forskerne klart det kunststykket å datasimulere bevegelsen til hvert enkelt korn i en sandstorm. Riktignok en sandstorm bestående av bare 4000 biter sand, men dette er mange nok til at de fikk frem og kunne studere alle de viktige elementene i en storm – rullere, hoppende saltoner og suspensjonen. Å simulere så mange partikler på en gang er i det hele tatt veldig imponerende, selv med dagens vanvittige tilgjengelige datakraft.

Det forskerne fant fikk dem først til å tro at de hadde gjort noe feil. Intensiteten til den simulerte stormen deres ble størst når de lot sandkornene kollidere med hverandre i luften, snarere enn å bare gli lett forbi hverandre. Intuitivt skulle en tro at stormen ville bremse seg selv på denne måten og gå saktere, men forskerne fant at med bremsingen på så kunne stormstyrken øke opp til det tredobbelte.

Hvorfor det? Grunnen viser seg å være at prosessen der sandkorn hopper og lander er hakket mer komplisert enn man hadde trodd. Når et salton, som har fløyet høyt over bakken, styrter ned så treffer det susepensjonen av flygende partikler. Kræsjet er omtrent som når du kaster en sten hardt i vannet. Det vil fly dråper, eller i dette tilfellet sandkorn, i mange retninger – men de færreste av dem vil fly høyt opp og bli nye saltoner selv. Skrur du imidlertid på muligheten for at disse kan kollidere med hverandre, så er sjansen større for at to treffes i luften og at et av disse smelles høyt opp. Først da er et nytt salton født. Også oppe i luften blant saltonene har kollisjonene noe å si, da de bidrar til å gi stormen en felles, ødeleggende, sandblåsende retning. Uten kollisjoner virret sandkornene mer rundt i alle retninger, noen som gjorde stormen mindre intens.

En sandstorm er altså, i tillegg til vind, avhengig av noen av naturens helt grunnleggende fenomen. De 50.000 krigerne til kong Kambyses II ble, hvis de faktisk eksisterte, ofre for statisk elektrisitet, friksjon og bittesmå kollisjoner høyt oppe i luften.

Nytten av å forstå en storm

Hold pusten, soldater...

Hold pusten, soldater…

Om den ferske modellen faktisk er riktig er et annet spørsmål. Den ser lovende og fysisk fornuftig ut, men for å teste den burde man egentlig kunnet gjøre det samme med virkelige stormer – altså skru kollisjonene mellom sandkorn av og på. Dette vet ingen hvordan man skulle gjort per i dag. Enn så lenge kan vi ikke si at sandstormer er fullstendig forstått. Som for de fleste av naturens mektige fenomen er det fortsatt mange mysterier igjen å jobbe med.

Å komme videre i forståelsen av dannelsen og utbredelsen av sandstormer er både nyttig og viktig. Sandstormer er kilden til mye av det støvet som hvert år virvler opp i atmosfæren og er med på både å skygge litt for solen, og å danne skyer. Støv- og sandstormer utgjør store problemer i tørre områder, og når steder som for eksempel sentrale USA nå opplever år etter år med ekstrem tørke vil mengden slike stormer bare øke. Men hvor mye vil de øke – og øker de i antall eller bare styrke? Å svare på slike spørsmål vil gjøre det lettere å planlegge samfunn og infrastruktur i og rundt jordens mange tørre områder.

Uheldigvis kommer denne forståelsen likevel noen tusen år for sent for kong Kambyses II.

Referanser:

Alle bilder og animasjoner er hentet fra wikipedia-artikkelen om sandstormer, med mindre annet er nevnt.

7 comments

  1. Stein Vidar Hagfors Haugan · august 16, 2013

    Det er vel også et bidrag fra hydrodynamikk? Sand som ligger på bakken «inneholder» jo også luft mellom kornene – så godt som alle sandkorn har luft ikke bare *over* seg, men også *under* seg (ihvertfall under deler av sandkornets overflate). Når så luften på oversiden har større hastighet enn den mer eller mindre stasjonære luften på undersiden, får man løft på samme måte som med en flyvinge. (Luft som «kommer innunder» sandkornet skulle vel da *minke* løftekraften??)

    Eller, med en bedre analogi, som når man blåser på den *ene* siden av et ark (hold et ark fast rett under leppene slik at det peker rett frem og kurver nedover, og blås slik at luften passerer på oversiden… det løfter seg!).

    Hmm… litt eksperimentering gjør meg litt forvirret ift. «barnelærdommen» fra FYS111(?): Det skulle være forskjellen i *hastighet* på de to sidene som gir trykkforskjellen mellom over- og undersiden av en flyvinge… Men om jeg bøyer meg frem og holder arket helt loddrett (dvs. at det ikke lenger kurver), ser det ikke ut som om det er noen «løft» (eller «dytt» ;-). What’s up with *that*?

    Dette fenomenet med at det var forskjellen i lufthastigheten som bestemte løftekraften plaget meg forresten – fikk aldri noen god intuitiv forståelse/tolkning av de likningene!! Mulig jeg misforsto alt ;-). Het det forresten «dynamisk trykk»?

    Hjeeelp! Håper på snarlig avklaring slik at jeg får sove til kvelden!

    • Carbomontanus · august 16, 2013

      Et liddeli godt råd:

      I gamle dager, om det var noe de ikke forsto, så hadde de alltid et standard beroligende svar allikevel så de fikk sove om natten: «Det må være noe elektrisk…»

      Og det synes å være hva Samset prøver å forklare her.

      Det der med Bernoulli og hydrostatisk og hydrodynamisk trykk,… der klarte Øgrim han på roterommet en gang å få det til såvidt å blinke ei pære hos meg ved å se det i lys av energiens permanens. Kommer det i bevegelse så har det bevegelsesenergi E= 1/2 mV^2 og det tas fra E= PdV ved at trykket synker..

      Men jeg har aldri hatt bruk for det og klart å lage papirfly og flyvinger og propeller allikevel.

      Og nok en ting om man skal blistre på køl med belg så skal man ha spissbelg med høyt trykk. Den jet- en har da lavt trykk på grunn av høy fart og drar mye mere luft inn fra sidene og inn i bålet enn det som kommer ut av belgvolumet. Det er injectorprinsippet.

    • Bjørn H. Samset · august 16, 2013

      Hei Stein Vidar,

      at hydrodynamikk (evt aerodynamikk, vel?) bidrar tror jeg absolutt. Jeg tipper at den suspensjonen av sandkorn som kommer nært overflaten, og som flytter brorparten av sanden i stormen, er avhengig av denne effekten. Men jeg vet det ikke sikkert – måtte regnet litt på hvor mye som egentlig skal til for å holde sandkorn flygende på den måten.

      Ang arket så må jeg visst eksperimentere litt selv også 🙂 Noe å gjøre med barna i helga. Si fra hvis du kommer på noe lurt, så skal jeg gjøre det samme.

      Bjørn

      • Stein Vidar Hagfors Haugan · august 16, 2013

        For oss astrofysikere finnes ikke aerodynamikk – kun (magneto)hydrodynamikk, som dekker det meste ;). Apropos MHD, så er det jo faktisk M’en involvert her. Hvorvidt man kan snakke om et *plasma*, er litt mer usikkert. Definisjonen er visstnok at elektriske/magnetiske krefter dominerer over normal «mekanikk» (Trulsen, priv. comm.). Isåfall er det et «støvete plasma» 🙂

      • Carbomontanus · august 16, 2013

        Tiltredes!

        Flammer er plasma løst i luft, og saloppløsninger er plasma løst i vann.

        Men her synes vi å ha en type hvor de ladde partiklene ikke er nanopartikler engang men enda digrere.

        Vet du hva? Man må få til Chladnis plate eller Kundts rør med et egnet, fint pulver. Kvarts eller feltspatt eller leire gjerne naturlig opphav, og se etter om det glimter og lyser når fenomenet er igang, og decayer med etterglød når det faller til ro. Det er teorien for hvordan lys oppstår helt generelt som beta- decay. Videre ledningsevnen inni slike amøber som jeg beskrev.

        Da kan vi få inn artikkel i Nature her.

  2. Carbomontanus · august 16, 2013

    Samset
    Nå er du endelig inne på noe viktig igjen. Vi må ha det opp i format skjønner du, så vi kan få sett på det.

    jeg ble bedt om å lage Chladnis forsøk til visning for Antroposofene av Torgeir Holtsmark på fysisk, og tok ei messingplate og en elektrodynamisk vibrator og kjørte på med tonegenerator og 10 watt hifi pushpullforsterker. Der fant vi virkelig mye rart som jeg er blitt frelst av og har ridd på senere.

    Som pulver hadde vi diverse grader carborundum men prøvde også Lycopodium. Da fant vi noe virkelig exotisk. Tyngre sand samler seg i knutelinjene som streker, men lett pulver samler seg heller hen i bukene der det er maximal bevegelse, og danner der amøbe- aktige «organiske» eller «eteriske» figurer. Og det er hva vi må se opp for her, at partiklene virkelig kan balle og rotte seg sammen og gå amøbe- aktig coherent og dispergert i takt og overvelde oss, ja direkte komme samlet og ta oss.

    For å kontrollere prøvde jeg videre Talcum og fineste siktegrad carborundum. Og kunne avsløre at om partiklene bare er små nok så samler de seg heller dråpe og amøbe- aktig hen i bukene med ,max bevegelse. og har ikke diffuse grenser men direkte makro- fasegrenser i rommet.

    Da må vi drøfte felt- parametere (Dielektrisitetskonstanten og luftens elektriske ledningsevne) og vil kunne finne at disse endrer seg i rommet innenfor og utenfor amøben eller skya. Og siden det er qvasi- makro- elektroner så kan vi jo og garantere at man vil få fenomenalt radar- ekko med egnet radarfrekvens på slike dust- bowls.

    Vi kunne rette fysikkboka bare ved å gjøre forsøkene. Lager man Kundts rør til visning og bruker Lycopodium så vil lycopodium opphope seg og samle seg i bukene og ikke i knutene inni røret.

    Dust- bowls er slett ikke noe nytt men tvertimot svært så tradisjonelt i østen som i vesten. Dust- bowls er hva som har gitt verdens berømte løss- sedimenter. Ukrainas svartjordsbelte og videre mye av Kasakstan og østover. Kina har verdensrekorden med flere hundre meter tykke løss- sedimenter karakteristisk for den Gule Flod, og der hvor Imperiet oppsto, fordi det er den rikeste jordbunn om de bare har vann nok.

    Kentucky Bread basket i USA er løss svartjord som i Ukraina og hele prærien er løss.

    Innholdet er…. nå kan jeg slå opp boka men vi tar det enkelt, …..meget fint pulver av kvarts og leire og kritt og humus i passe blanding. I utgangspuktet gult som vi ser, men det utvikler seg til svartjord i flere meter tykke lag om det blir fuktigere klima og mere regn på det. Det vil gro opp meget grov skog og rik jordfauna selvfølgelig, ikke bare metemark men adskillig grovere også. Muldvarper og jordrottet av alle slag og svære griser med lange tryner.

    La meg føre glosa «Gestaltungskräfte». Antroposofene har operert med den men synes ikke å ha kommet noen særlig vei med den forskningen så det har dabbet av med den glosa. Det er mulig vi bruker glosa eller begrepet Troll på Norsk. Men disse tingene skinner igjennom og skinner frem gjennom Klima- surrealismen hvor sånt som Scafetta og Lindzen og i Norge Hummmmm- lummmmmen klart har supet i smug hos antroposofiske kilder.

    Derfor er det svært viktig at vi heller seriøse og edruelige fysikere sørger for at referansefenomenene og hva vi skremmer folk med er robust som det heter og noenlunde konkret, gjørbart og håndfast og ikke til å få vekk.

    Dustbowls er en slik realitet og man kan få dem meget fint til på Chladnis plate til gransking og beundring.

    • Bjørn H. Samset · august 16, 2013

      Hei Svein,

      takk for historien og for påminnelse om Chladnis forsøk. Jeg har tenkt lenge at jeg skulle lage et oppsett og leke litt med det. Får se hva jeg får tid til fremover.

      mvh
      Bjørn

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s