Dunas em forma de crescente chamadas barchans são estruturas que aparecem em uma ampla variedade de ambientes, incluindo praias e desertos, leitos de rios e o fundo do mar, dentro de canos de água e oleodutos, e na superfície de Marte e outros planetas arenosos com uma atmosfera.

Apesar das diferenças de escala que variam de ondulações de 10 centímetros para dunas subaquáticas a montanhas com quilômetros de altura para dunas marcianas, a dinâmica da formação e do movimento do barchan parece ser muito semelhante em todos os lugares.

Pesquisa realizada na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) no Brasil com apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP esclarece a dinâmica das dunas aquáticas. Os resultados também podem contribuir para um melhor entendimento da topografia de Marte e, portanto, aumentar a probabilidade de sucesso em missões a Marte ou para a otimização e custo-benefício dos fluxos de petróleo.

"Barchans são dunas em forma de crescente que resultam da interação entre matéria granular, normalmente areia, e o fluxo de um fluido, como gás ou líquido, sob condições de fluxo predominantemente unidirecionais. Os dois chifres da meia-lua estão na direção do fluxo do fluido, "disse Erick de Moraes Franklin, um dos autores da pesquisa. O estudo acaba de ser publicado em Cartas de revisão física .

Suas descobertas contradizem a explicação preferida para a origem e o movimento dessas estruturas, pelo menos no caso de dunas subaquáticas (subaquáticas). "Nossa pesquisa mostra que o surgimento dos chifres de barchan não pode ser explicado pelo modelo convencional, segundo o qual a areia se move principalmente no sentido longitudinal e qualquer movimento lateral dos grãos é devido a um mecanismo semelhante à difusão. A velocidade local de deslocamento da estrutura inicial deve ser inversamente proporcional à sua altura local, de modo que as partes mais baixas nas laterais da pilha de areia se movem mais rapidamente e formam chifres. Não foi isso que observamos experimentalmente, "Franklin disse.

O que ele e Alvarez observaram em um meio líquido foi que os grãos se moviam rolando e deslizando em trajetórias circulares. “Os chifres são formados principalmente por grãos que migram das regiões a montante para a região dos chifres. O crescimento de uma barchan subaquática tem um componente transversal significativo, que não tem características difusivas, "Franklin disse.

Todos os barchans têm as mesmas proporções em termos da razão entre comprimento e altura e seguem as mesmas leis de movimento, independentemente da origem ou escala. Sua altura é sempre um décimo de seu comprimento, por exemplo. Como resultado, o estudo realizado no laboratório da UNICAMP com dunas formadas em velocidades ultra-rápidas pode ajudar na compreensão da dinâmica do terreno marciano, por exemplo, como as dunas gigantes do Planeta Vermelho evoluíram e como serão daqui a milhares de anos.

De acordo com Franklin, a formação e o movimento de um barchan subaquático resultam da interação complementar ou contraditória de três fatores:fluxo de fluido, gravidade, e inércia do grão. As dunas crescem à medida que o fluxo do fluido move os grãos das regiões mais baixas para as mais altas.

A gravidade atua na direção oposta, puxando os grãos para baixo e tendendo a tornar a duna mais plana. Inércia do grão, ou mais precisamente, a diferença inercial entre os grãos e o fluido, determina como os grãos interagem com o fluido. Se a inércia do grão for muito maior do que a inércia do fluido, o movimento do grão é mais lento do que o movimento fluido. Em vez de se estabelecer na cúspide da duna, os grãos são depositados em uma região inferior a jusante.

"A complicação é que o fluido é um meio contínuo cujo movimento pode ser descrito por equações diferenciais conhecidas, e os físicos sabem como resolvê-los, enquanto os grãos constituem um meio descontínuo. Uma duna contém bilhões de grãos. A escala é precisamente esta, na ordem de um bilhão. Além disso, os grãos são todos diferentes uns dos outros, "Franklin explicou.

"Até aqui, tem sido impossível descrever o movimento de todos os grãos com uma única equação diferencial. Podemos descrevê-los grão por grão, mas como podemos integrá-los todos no final? Como resultado, várias questões sobre a dinâmica das dunas permanecem em aberto. Uma dessas questões é por que uma pilha de grãos, qualquer que seja sua forma, evolui para formar um barchan, uma duna em forma de crescente. Em outras palavras, por que os dois chifres? "

Dinâmica de formação

Entre os vários tipos de dunas, um barchan é conhecido por se formar quando o movimento de um fluido (o vento sobre o deserto ou o fluxo de água em um rio, por exemplo, ocorre em média em uma única direção de fluxo. Pode haver variações ocasionais, mas em termos estatísticos, apenas uma direção de fluxo prevalece. Visto de cima, este tipo de duna se assemelha a uma letra C. Esta forma significa que o fluido está se movendo do lado convexo em direção aos chifres, as pontas gêmeas do C.

A novidade nos achados deste estudo está relacionada à dinâmica de formação do chifre. O modelo antigo presumia que cada grão se movia balisticamente, como um projétil descrevendo uma parábola no plano vertical, e na mesma direção do fluido. Em movimento unidirecional, as partes inferiores movem-se mais rápido, pois sua velocidade é inversamente proporcional à altura local. Portanto, os dois chifres se formam. O experimento dos pesquisadores na UNICAMP, Contudo, mostrou que este não é o caso, pelo menos não na água.

“Fizemos um experimento com grãos de vidro sob um fluxo turbulento de água. Usando uma câmera de alta velocidade capaz de registrar cerca de mil imagens por segundo, filmamos o movimento da pilha de cima e produzimos uma grande quantidade de imagens, "Franklin disse.

“O próximo passo foi criar um programa de computador que abrisse a imagem do filme por imagem e identificasse cada partícula que se movia. Monitorando os grãos, pudemos rastrear os grãos que formavam os chifres e os caminhos que eles seguiram. Descobrimos que nem todos eles se moviam em uma única direção, como assumido pelo modelo antigo. A maioria deles fluiu em torno da pilha inicial em um movimento circular, e foi assim que os chifres tomaram forma. "

Franklin ressaltou que a descoberta se aplica a dunas formadas em meio líquido, mas não necessariamente para dunas formadas em um meio gasoso. A explicação física para a possível diferença é simples e interessante, ele notou. "O modelo anterior era baseado em dunas eólicas, especialmente dunas do deserto. A densidade do ar é de aproximadamente um quilograma por metro cúbico. A densidade de um grão de areia é 2, 500 kg / m ³ . Essa é uma diferença de magnitude de 103, o que significa que para deslocar um grão de areia no deserto, o ar deve estar se movendo muito rápido. Tão rápido que quando desloca um grão, o grão é lançado em uma trajetória balística como um projétil, "Franklin explicou.

“O grão sobe cerca de um metro e descreve uma curva parabólica. A direção do voo é a principal direção do fluxo. Assim, o movimento geral é realmente unidirecional. Contudo, a água é mil vezes mais densa que o ar em 1, 000 kg / m ³ . Isso significa que a água e o grão de areia estão na mesma ordem de magnitude, para que o fluxo de água possa deslocar o grão enquanto se move muito mais devagar. Enquanto isso, o grão segue aproximadamente o movimento da água. A água flui ao redor da pilha em um caminho circular, e os grãos também. "

O experimento mostrou que o modelo anterior, que foi considerada uma verdade absoluta, não se aplica a todos os casos. “Isso abre toda uma discussão sobre o fenômeno, "disse ele." Experimentos terão que ser feitos com dunas eólicas para confirmar se, neste caso, o modelo anterior é realmente válido. Talvez seja, mas talvez não seja. Há muito interesse no assunto devido às missões a Marte. Uma pequena diferença entre as dunas de Marte pode sugerir que havia água na região no passado. "

Além das possíveis aplicações a longo prazo, o bombeamento de petróleo bruto é uma aplicação muito mais imediata para os resultados da pesquisa. O petróleo bruto é extraído principalmente de reservatórios contendo areia e água, então barchans se formam dentro dos oleodutos e reduzem o fluxo de óleo, elevando os custos de produção. Além disso, a areia se acumula em certos lugares, e a remoção é difícil. Uma compreensão mais profunda da formação de dunas é indispensável para resolver este problema.