Más allá de su belleza, los campos de dunas cautivan a los científicos por su comportamiento, que constituye un desafío a la intuición. Por ejemplo, un viento que sopla intensamente durante un largo período puede hacer que los médanos ganen altura en lugar de erosionarlos y disminuir su tamaño, tal como se podría imaginar. Para conocer mejor cómo estos sinuosos montículos de arena se trasladan e interactúan unos con otros, el ingeniero mecánico Erick Franklin, de la Universidad de Campinas (Unicamp), concibió un pequeño dispositivo de laboratorio que procura reproducir la dinámica natural de algunos tipos de dunas y determinar las propiedades de su desplazamiento y su evolución.
Este sistema artificial consta de un canal de acrílico de 5 metros de largo por 16 centímetros (cm) de ancho y 5 cm de altura. En su interior, los investigadores suelen depositar dos montículos de gránulos esféricos de vidrio o cerámica, con un formato y un peso específicos. Cada duna en miniatura posee unas 100.000 partículas de un mismo color, diferente al tono del montículo vecino. Esta diferenciación facilita el rastreo del movimiento de los gránulos. Mediante el uso de cámaras de video de alta resolución, Franklin y sus colaboradores registran el desplazamiento de las esferas, arrastradas por una corriente de agua a velocidad regulable, y luego lo analizan en cámara lenta con la ayuda de programas de computación.
Con el uso de esta estrategia, el grupo elaboró un mapa que muestra cómo migra cada grano de arena de una colina a otra e identificó cinco modelos de interacción entre dos dunas de tipo barján, aquellas con forma de media luna, habituales en los desiertos, en el lecho de los ríos y mares e incluso en la superficie de otros planetas, como Marte. En otro experimento, los investigadores comprobaron que el movimiento del fluido, en el caso del agua, es capaz de separar granos de dimensiones diferentes, inicialmente mezclados, generando barjanes estratificados, lo que influye en la interpretación de los hallazgos geológicos. En las dunas estratificadas, cada capa está formada por granos de tamaño homogéneo y diferente al hallado en otros estratos.
Experto en mecánica de fluidos y transporte de materiales granulares, Franklin comenzó a instalar en 2012 un sistema artificial de médanos en su laboratorio de la Unicamp. Le fascinan las formas que adoptan en la naturaleza estas montañas de arena móviles, y pretendía entender cómo evolucionan con el tiempo, algo que no siempre es posible rastrear mediante mediciones directas en la naturaleza.
Las dunas eólicas, esculpidas por la acción del viento, tales como las que pueden encontrarse en el Parque Nacional de Lençóis Maranhenses, en Brasil, o en el desierto del Sahara, en África, tardan decenas de años en formarse y desplazarse y solo en las últimas dos o tres décadas han empezado a ser monitoreadas regularmente mediante imágenes aéreas o satelitales. En Marte, donde los vientos son más escasos, la formación de los barjanes puede llevar milenios y los científicos dependen de las simulaciones por computadora para estimar su comportamiento. Incluso en condiciones especiales de laboratorio, como en un túnel de viento, un barján no se forma en menos de un año.
En la naturaleza, las dunas esculpidas por el viento tardan décadas en formarse y desplazarse
Ante estas limitaciones y partiendo del principio ya establecido de que las dunas constituyen el resultado del transporte de un material granular por un fluido (el agua en las acuáticas y el viento en las terrestres), Franklin resolvió trabajar en el laboratorio, bajo condiciones controladas, con los médanos que se forman bajo el agua, cuya evolución es extremadamente rápida. Con menores dimensiones que los barjanes de origen eólico, que pueden alcanzar algunas decenas de metros de altura, las dunas subacuáticas no superan los 10 cm, apareciendo y desplazándose en cuestión de minutos. En la naturaleza, tanto en tierra como en el agua, los barjanes chocan, se fusionan o sus extremos se superponen, formando corredores de dunas. “Lo que cambia son las escalas de tamaño y de tiempo”, dice el investigador, para quien los mecanismos físicos principales que rigen la formación de las dunas terrestres o subacuáticas serían muy similares.
Franklin y un alumno de doctorado, el ingeniero mecánico Willian Righi Assis, comenzaron las pruebas utilizando la composición más sencilla posible –dos pilas de granos en el canal de agua– y realizaron alrededor de 150 experimentos. Para ello variaron el tamaño inicial de los pares de médanos, la posición de cada uno al inicio de las pruebas, la velocidad del agua y las características (diámetro, densidad y rugosidad de la superficie) de cada gránulo. En un artículo publicado en septiembre de 2020 en la revista Geophysical Research Letters, describieron las cinco formas principales de interacción entre los barjanes: persecución, fusión, intercambio, fragmentación y persecución y fragmentación e intercambio.
Tal como sus nombres los indican, las tres primeras interacciones son simples y las dos últimas, mixtas. En la persecución, ambas dunas se desplazan en un mismo sentido sin que una alcance a la otra. En la fusión, el material de la duna situada aguas arriba o asuso (más cerca del origen del flujo de agua) se mezcla con el de la duna ubicada aguas abajo o ayuso (más alejada del flujo hídrico), dando lugar a una única duna. En el intercambio, las partículas de una duna asuso se incorporan a las del montículo vecino, que a su vez, libera parte de su material para generar una nueva duna. En la fragmentación-persecución, la duna aguas arriba persigue a la que se encuentra aguas abajo, que se fragmenta en dos. En el caso de la fragmentación-intercambio, el proceso es más complejo. La duna ubicada ayuso en la corriente empieza a dividirse antes de que la otra, ubicada aguas arriba le dé alcance y se fusione con parte de ella. Al igual que en la interacción anterior, también estada acaba dando origen a tres médanos, uno de ellos formada por la mezcla de los gránulos de los dos montículos iniciales (obsérvense las imágenes).
Con base en los resultados de los experimentos, Franklin y Assis trazaron una especie de mapa que, a partir de las condiciones iniciales, permite estimar el tipo de interacción que se establecerá entre dos barjanes. Según los investigadores, al menos teóricamente, esto podría aplicarse a dunas de cualquier tamaño y en una escala de tiempo indistinta. “El mapa permite calcular las interacciones entre barjanes tanto en la Tierra como en Marte”, dice Franklin, quien supone que estas conclusiones serán útiles para el desarrollo de modelos de evolución de las dunas más sofisticados, que podrían ayudar a contrarrestar el avance del proceso de desertificación, o a la preservación de las dunas amenazadas por la actividad humana.
En los experimentos descritos en julio de 2021 en la revista JGR Earth Surface, Assis y Franklin repitieron las pruebas con barjanes empleando gránulos con un esquema de colores diferente. En este caso utilizaron en cada duna una mezcla de partículas blancas (el 97 % del total) y negras (el 3 %) evaluando el desplazamiento individual de estas últimas. Un análisis estadístico de las trayectorias de los granos negros les permitió deducir el recorrido de los demás. De esa forma determinaron cuántos granos llegan o salen de cada duna en los diferentes tipos de interacciones. Estos datos, sumados al “mapa de interacciones”, permitirán calcular, aproximadamente, la cantidad de arena que intercambian las dunas eólicas en la Tierra o en Marte.
George Steinmetz / Getty Images
Las dunas naturales, como las de Lençóis Maranhenses, pueden configurarse como crestas de arena interconectadas de tipo barjánGeorge Steinmetz / Getty Images“El grupo de la Unicamp está realizando un muy buen trabajo de medición exhaustiva de las dunas subacuáticas, descifrando la transferencia de masa a nivel de partículas”, comenta el físico Hans Herrmann, de la Universidad Federal de Ceará (UFC), experto en modelado de dunas por computadora. Sin embargo, no concuerda con que los cinco tipos de interacción de los barjanes subacuáticos puedan aplicarse a las dunas eólicas. Para él, no pueden ignorarse las propiedades diferentes del fluido (agua o aire) en el que se mueven los gránulos. En el agua, las partículas generalmente ruedan sobre el lecho, mientras que en el aire se desplazan principalmente a grandes saltos dice el físico. Además, sostiene, la diferencia entre el tamaño del grano y la dimensión de la duna es menor en el agua que en tierra firme, y ello podría alterar el modelo evolutivo de las dunas eólicas.
“No todo lo que se ha observado que ocurre con las dunas subacuáticas puede aplicarse a las eólicas”, dice Eric Parteli, físico de la Universidad de Duisburgo-Essen, en Alemania, quien trabaja con modelos geomorfológicos para combatir la desertificación. Con todo, él afirma que el comportamiento de las que se forman bajo el agua puede ser de utilidad para estudiar el impacto de los cambios en la dirección del flujo en el formato de las dunas. “Si los experimentos del grupo de Campinas incorporan alteraciones en la trayectoria del fluido, acaso ayuden a dar respuesta a las dudas sobre las dunas de Marte”, dice.
Como la mayoría de los experimentos y simulaciones por computadora asumen que las dunas están formadas por un único tipo de granos (un grano “medio”), Franklin y otros dos alumnos suyos de doctorado, los ecuatorianos Carlos Álvarez y Fernando Cúñez, decidieron explorar lo que ocurriría bajo condiciones más parecidas a las naturales. Para ello mezclaron partículas de dos tamaños y densidades distintas en los montones y repitieron los experimentos.
Los resultados, divulgados en la edición de mayo de 2021 de la revista Physics of Fluids, revelaron que la corriente de agua separa los granos y genera barjanes estratificados. Contrariamente a lo esperado, las partículas más pesadas tienden a ubicarse por encima de las más livianas, algo que aún no había podido observarse en laboratorio. Franklin supone que este proceso de separación es una explicación adicional (además de otras teorías existentes) para la formación de las dunas estratificadas que se observan en el polo norte marciano.
La estratificación también puede ser importante para entender el origen de las rocas sedimentarias formadas a partir del soterramiento de campos de médanos que existieron hace cientos de miles de años. “Los distintos tipos de dunas dejan patrones geométricos de estratificaciones disímiles”, explica el geólogo Paulo Giannini, del Instituto de Geociencias de la Universidad de São Paulo (IGc-USP). “Al medir la inclinación de los estratos, puede inferirse hacia dónde se desplazó una duna antigua y, por ende, la dirección del viento o de la corriente de agua en el pasado”.
Proyecto
Modelado de flujos granulares densos: experimentos, simulaciones numéricas y análisis de estabilidad (nº 18/14981-7); Modalidad Joven Investigador; Investigador responsable Erick de Moraes Franklin (Unicamp); Inversión R$ 1.983.410,31
Artículos científicos
ASSIS, W. R. y FRANKLIN, E. M. Morphodynamics of barchan-barchan interactions investigated at the grain scale. JGR Earth Surface. 19 jul. 2021.
ASSIS, W. R. y FRANKLIN, E. M. A comprehensive picture for binary interactions of subaqueous barchans. Geophysical Research. Letters. 23 sept. 2020
