Barchans são dunas de areia em forma de crescente, cujos dois chifres estão voltados na direção do fluxo do fluido. Eles aparecem em ambientes diferentes, como dentro de canos de água ou leitos de rios, onde eles tomam a forma de ondulações de dez centímetros, e desertos, onde podem ultrapassar 100 metros, e a superfície de Marte, onde eles podem ter um quilômetro de comprimento ou mais. Se o tamanho deles varia muito, o mesmo acontece com o tempo que levam para se formar e interagir. As ordens de magnitude variam de um minuto para pequenos barchans na água a um ano para grandes formações desérticas e um milênio para os gigantes em Marte.

Eles são formados pela interação entre o fluxo de um fluido, como gás ou líquido, e matéria granular, normalmente areia, sob condições de fluxo predominantemente unidirecionais.

"O que é interessante é a semelhança de sua formação e dinâmica de interação, independentemente do tamanho. Como resultado, podemos estudar barchans aquáticos em laboratório para fazer previsões sobre a evolução das dunas dos Lençóis Maranhenses [um ecossistema costeiro do Nordeste do Brasil] ou investigar as origens da topografia na região do Helesponto em Marte, "disse Erick Franklin, pesquisador e professor da Escola de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas (FEM-UNICAMP) no estado de São Paulo, Brasil.

Trabalhando com seu Ph.D. aluno Willian Righi Assis, Franklin realizou mais de 120 experimentos e identificou cinco tipos básicos de interação entre barchans.

O estudo, conduzido inteiramente na UNICAMP, é relatado em um artigo publicado na revista Cartas de pesquisa geofísica . Recebeu apoio da FAPESP por meio de Bolsa Jovem Investigador Fase 2 concedida a Franklin e bolsa de doutorado direto concedida a Assis.

Um aspecto marcante do assunto é que, além de ter uma forma robusta que aparece em muitos ambientes diferentes, barchans normalmente formam corredores nos quais seus tamanhos são aproximadamente os mesmos. A análise de dunas individuais sugere que elas devem crescer indefinidamente, tornando-se cada vez maior, mas este não é o caso. Uma explicação para seu tamanho característico em um determinado ambiente é que as interações binárias, especialmente colisões, redistribuir a massa de areia, e em vez de crescer continuamente, eles se subdividem em dunas menores.

"Isso foi proposto no passado, mas ninguém testou exaustivamente e mapeou essas interações, como as colisões de dunas levam décadas para acontecer em desertos terrestres, "Franklin disse." Aproveitando o fato de que as barchans subaquáticas são pequenas e se movem muito mais rápido, conduzimos experimentos em um canal hidrodinâmico feito de material transparente, com fluxo turbulento de água formando e transportando pares de barchans enquanto uma câmera filmava o processo. Identificamos pela primeira vez os cinco tipos básicos de interação binária. "

Nos experimentos, os pesquisadores variaram independentemente cada um dos parâmetros envolvidos no problema, como o diâmetro do grão, densidade e arredondamento, velocidade do fluxo de água, e condições iniciais. As imagens adquiridas foram processadas por computador por meio de um código numérico escrito pelos pesquisadores. Com base nos resultados, eles propuseram dois mapas que forneciam uma classificação geral das possíveis interações.

"Nossos experimentos mostraram que quando ocorre uma colisão binária, o barchan que estava originalmente a jusante, ou seja, na frente, expulsou uma duna de massa aproximadamente igual à do barchan rio acima, ou seja, atrás, "Franklin disse." A primeira impressão foi que o barchan rio acima passou por cima do outro barchan como uma onda, mas o uso de grãos coloridos nos ajudou a mostrar que isso não aconteceu. Na realidade, o barchan a montante entrou no barchan a jusante, que se tornou muito grande e liberou uma massa mais ou menos igual à massa recebida. "

As interações entre os dois barchans envolveram basicamente dois mecanismos. Um foi o distúrbio causado no fluido, que contornou o barchan upstream, acelerou e impactou o barchan a jusante, que corroeu. Isso é denominado "efeito de despertar". A outra foi a colisão em que os grãos das barchans em colisão se fundiram.

"Nossos dados experimentais mostraram que esses dois mecanismos causaram cinco tipos de interação barchan-barchan, "Disse Franklin." Tendo em mente que a velocidade de uma duna é inversamente proporcional ao seu tamanho, os dois mais simples são o que chamamos de perseguição e fusão. "

A perseguição ocorre quando as duas barchans são aproximadamente do mesmo tamanho e a erosão devido ao efeito de esteira faz com que a duna a jusante diminua de tamanho. As duas barchans então se movem na mesma velocidade e permanecem a uma distância constante uma da outra. A fusão acontece quando o barchan a montante é muito menor do que o barchan a jusante. A erosão causada pela esteira não diminui substancialmente o tamanho da duna a montante, para que as barchans colidam e se fundam, formando uma única duna.

O terceiro tipo de interação é a troca, o que é mais complicado. "A troca acontece quando o barchan a montante é menor do que o barchan a jusante, mas não muito menor. Aqui, também, a duna a montante alcança a duna a jusante e eles colidem. Enquanto eles fazem isso, a duna menor sobe e se espalha sobre a maior. Durante este processo, Contudo, o fluxo de fluido, que é desviada pela nova duna, corrói fortemente a frente da duna, que ejeta uma nova duna. Porque é menor e surge a jusante, a nova duna se move mais rápido e uma lacuna se abre entre as duas dunas, "Franklin disse.

Os dois últimos tipos de interação acontecem quando o fluxo de fluido é muito forte. "O que chamamos de 'perseguição à fragmentação' é quando as dunas têm tamanhos diferentes. O efeito de esteira na duna a jusante é tão forte que se divide em duas. Ambas as dunas resultantes são menores do que a duna a montante. O resultado são três dunas com lacunas cada vez maiores entre eles. O último tipo é "troca de fragmentação", que é semelhante. A diferença é que a duna a montante atinge a duna a jusante antes de sua divisão em duas ser concluída, "Franklin disse.

Os cinco tipos são fáceis de entender no vídeo que acompanha. Na verdade, os pesquisadores conseguiram construir a tipologia graças ao suporte visual proporcionado pelos filmes descritos no artigo. "Nossos resultados, obtido para barchans subaquáticos que tinham centímetros de comprimento e se desenvolveram em minutos, avançar significativamente na compreensão da dinâmica e formação deste tipo de duna, "Franklin disse." Por meio das leis de escala, eles nos permitem transpor as descobertas para outros ambientes, onde os tamanhos são maiores e os períodos de tempo mais longos. Compreendendo o passado de Marte ou projetando seu futuro distante, ambos são atualmente de interesse para cientistas, poderia ser muito facilitada por essas descobertas. "Barchans são dunas de areia em forma de crescente, cujos dois chifres estão voltados na direção do fluxo do fluido. Eles aparecem em ambientes diferentes, como dentro de canos de água ou leitos de rios, onde eles tomam a forma de ondulações de dez centímetros, e desertos, onde podem ultrapassar 100 metros, e a superfície de Marte, onde eles podem ter um quilômetro de comprimento ou mais. Se o tamanho deles varia muito, o mesmo acontece com o tempo que levam para se formar e interagir. As ordens de magnitude variam de um minuto para pequenos barchans na água a um ano para grandes formações desérticas e um milênio para os gigantes em Marte.

Eles são formados pela interação entre o fluxo de um fluido, como gás ou líquido, e matéria granular, normalmente areia, under predominantly unidirectional flow conditions. 

"What's interesting is the similarity of their formation and interaction dynamics, regardless of size. Como resultado, we can study aquatic barchans in the laboratory to make predictions about the evolution of the dunes in Lençóis Maranhenses [a coastal ecosystem in the Northeast of Brazil] or to investigate the origins of the topography in the Hellespontus region on Mars, " said Erick Franklin, a researcher and professor at the University of Campinas's School of Mechanical Engineering (FEM-UNICAMP) in the state of São Paulo, Brasil.

Working with his Ph.D. student Willian Righi Assis, Franklin performed more than 120 experiments and identified five basic types of interaction between barchans. 

O estudo, conducted entirely at UNICAMP, is reported in an article published in the journal Geophysical Research Letters. It was supported by FAPESP via a Phase 2 Young Investigator Grant awarded to Franklin and a direct doctorate scholarship awarded to Assis.

A striking aspect of the topic is that as well as having a robust shape that appears in many different environments, barchans typically form corridors in which their sizes are approximately the same. Analysis of individual dunes suggests they should grow indefinitely, becoming steadily larger, but this is not the case. One explanation for their characteristic size in a given environment is that binary interactions, especially collisions, redistribute the mass of sand, and instead of growing continuously they subdivide into smaller dunes.

"This has been proposed in the past, but no one had extensively tested and mapped these interactions, as dune collisions take decades to happen in terrestrial deserts, " Franklin said. "Taking advantage of the fact that underwater barchans are small and move much faster, we conducted experiments in a hydrodynamic channel made of transparent material, with turbulent water flow forming and transporting pairs of barchans while a camera filmed the process. We identified for the first time the five basic types of binary interaction."

In the experiments, the researchers varied independently each of the parameters involved in the problem, such as grain diameter, density and roundness, water flow velocity, and initial conditions. The images acquired were processed by computer using a numerical code written by the researchers. Com base nos resultados, they proposed two maps that supplied a general classification of the possible interactions.

"Our experiments showed that when a binary collision occurs, the barchan that was originally downstream, i.e. in front, expelled a dune of an approximately equal mass to that of the barchan upstream, i.e. behind, " Franklin said. "The first impression was that the upstream barchan passed over the other barchan like a wave, but the use of colored grains helped us show this didn't happen. Actually, the upstream barchan entered the downstream barchan, which became too large and released a mass more or less equal to the mass received."

Interactions between the two barchans basically involved two mechanisms. One was the disturbance caused in the fluid, which bypassed the upstream barchan, accelerated and impacted the downstream barchan, which eroded. This is termed the "wake effect". The other was the collision in which the colliding barchans' grains merged. 

"Our experimental data showed that these two mechanisms caused five types of barchan-barchan interaction, " Franklin said. "Bearing in mind that the velocity of a dune is inversely proportional to its size, the simplest two are what we call chasing and merging."

Chasing occurs when the two barchans are roughly the same size and erosion due to the wake effect makes the downstream dune decrease in size. The two barchans then move at the same velocity and remain at a constant distance from each other. Merging happens when the upstream barchan is much smaller than the downstream barchan. Erosion caused by the wake does not substantially decrease the size of the upstream dune, so that the barchans collide and merge, forming a single dune.

The third type of interaction is exchange, which is more complicated. "Exchange happens when the upstream barchan is smaller than the downstream barchan, but not much smaller. Aqui, também, the upstream dune catches up with the downstream dune and they collide. As they do so, the smaller dune ascends and spreads over the larger one. Durante este processo, Contudo, the fluid flow, which is deflected by the new dune, strongly erodes the front of the dune, which ejects a new dune. Because it is smaller and emerges downstream, the new dune moves faster and a gap opens up between the two dunes, " Franklin said.

The last two types of interaction happen when fluid flow is very strong. "What we call 'fragmentation-chasing' is when the dunes are of different sizes. The wake effect on the downstream dune is so strong that it splits into two. Both the resulting dunes are smaller than the upstream dune. The result is three dunes with gaps widening between them. The last type is 'fragmentation-exchange', which is similar. The difference is that the upstream dune reaches the downstream dune before its division into two is complete, " Franklin said.

The five types are easy to understand in this video. Na verdade, the researchers were able to construct the typology thanks to the visual support afforded by the movies described in the article. "Our results, obtained for subaqueous barchans that were centimeters in length and developed in minutes, significantly advance the understanding of the dynamics and formation of this type of dune, " Franklin said. "Through laws of scale, they enable us to transpose the findings to other environments, where sizes are larger and timespans longer. Understanding the past of Mars or projecting its distant future, both of which are currently of interest to scientists, could be greatly facilitated by these findings."