11.05.2004 · Computer-Simulationen ersetzen die Arbeit, eine Düne über Jahre hinweg immer wieder zu fotografieren und die einzelnen Aufnahmen für Studien auszuwerten und zusammenzusetzen.
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Beängstigend schnell: Sanddünen
Bislang waren Dünen wie jene der Namib-Wüste, die auf dieser Satellitenaufnahme zu sehen sind, die Domäne der Geographen und Geomorphologen. Allerdings eine, die Beobachtungen schwer zugänglich war, ganz zu schweigen von einer experimentellen Untersuchung. Einzeldünen sind bis zu fünfundzwanzig Meter hoch, und sie können sich einige Dutzend Meter im Jahr vorwärts bewegen.
Für ein afrikanisches Dorf, dessen Straßen und Felder von der Zerstörung bedroht sind, ist das beängstigend schnell. Für Wissenschaftler, die herausfinden möchten, auf welche Weise Dünen wandern und welche Parameter dabei eine Rolle spielen, ist es quälend langsam: Ein Jahr und länger kann es dauern, bis der "Zusammenstoß" zweier Dünen abgeschlossen ist. Will man das Verhalten der Dünen studieren, ist man auf Studien angewiesen, die sich über Jahrzehnte hinziehen können.
Sonderform einer Welle
Die Arbeit des Physikers Veit Schwämmle von der Universität Stuttgart hat jetzt erheblich schneller zu Erkenntnissen über das Verhalten sichelförmiger Wanderdünen, sogenannter Barchane, geführt. Barchane bilden sich in Gegenden, in denen der Wind überwiegend aus einer Richtung kommt. Schwämmle hat die Situation simuliert, daß eine kleine Barchan-Düne eine größere einholt. Seine Ergebnisse wurden in der Zeitschrift "Nature" (Nr. 426, S. 619) veröffentlicht.
Der Parameter, von dem das Verhalten der Dünen entscheidend abhängt, ist die Höhe - und damit ihre Geschwindigkeit: Je kleiner ein Sandhaufen ist, desto schneller kann ihn der Wind vor sich hertreiben. Wenn sich die Dünen mit ähnlichen Geschwindigkeiten vorwärts bewegen, können sie ein solitonähnliches Verhalten zeigen: Ein Soliton ist die Sonderform einer Welle. Sie besitzt weder so viel kinetische Energie, daß sich die Welle überschlägt und Turbulenzen entstehen, noch so wenig, daß die Welle nach und nach auseinanderläuft. Für Wasserwellen ist dieses Verhalten seit 170 Jahren bekannt. Damals war dem schottischen Ingenieur John Scott Russell auf einem Kanal ein Treidelboot aufgefallen, das eine Welle vor seinem Bug hertrieb, die nicht etwa auseinanderlief, sondern Geschwindigkeit und Form behielt.
Aus Mischzustand befreien
Bei den Barchanen kann das solitonähnliche Verhalten so aussehen, als liefe die kleinere der beiden Dünen durch die größere hindurch: Sie kommt schneller vorwärts und holt die größere ein, so daß ein Zwischenzustand aus beiden Dünen entsteht. In dem Zwischenzustand wird Sand von der größeren auf die kleinere Düne geweht. Sie wächst und wird langsamer. Der anderen Düne ergeht es umgekehrt: Sie hat schließlich so viel Sand abgegeben, daß sie schnell genug vorwärts kommt, um sich aus dem Mischzustand zu befreien.
Die Dünen haben also die Rollen getauscht: Die kleinere hat die größere eingeholt und aus dieser Sand aufgenommen, während die größere leichter geworden ist und jetzt der anderen Düne "davonwandert". Für Beobachter sieht das so aus, als habe die kleinere Düne die größere durchquert. Wenn die beiden Dünen sich nur mäßig in ihrer Größe unterscheiden, kann es allerdings auch vorkommen, daß sie - statt einander (scheinbar) zu ignorieren - aufeinandertreffen und sich vermehren. Dann geht zunächst die kleinere Düne in der größeren auf, bevor rechts und links an den Spitzen der Sichel zwei kleine "Baby-Barchane" die "Mutter-Düne" verlassen.
Will man berechnen, wie es aussieht, wenn zwei Dünen einander durchqueren, muß man einen PC zwei Wochen lang beschäftigen. Die Computer-Simulationen ersetzen jedoch die Arbeit, eine Düne über Jahre hinweg immer wieder zu fotografieren und die einzelnen Aufnahmen für Studien auszuwerten und zusammenzusetzen. Die Simulationen lassen überdies Untersuchungen zu, welche Parameter - zum Beispiel Höhe, Neigungswinkel, Windgeschwindigkeit - für das Verhalten von Dünen kritisch sind. Die Physiker wollen die Dünenforschung am Computer jetzt dahin gehend erweitern, daß sie das Verhalten ganzer Dünenfelder beschreiben.
