גלוני חול הם תבניות שובות עין הנוצרות על ידי משב הרוח על גרגרי החול. הם נפוצים על פני אזורים נרחבים במאדים ובכדור הארץ באזורי דיונות חול ועל חוף הים. מחקר בינלאומי חדש, בהובלת חוקר מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב, אתגר את התיאוריה הרווחת שתנאים פיזיקליים שונים מאפשרים התפתחות של גלונים, שאינם קיימים על פני כדור הארץ, תוך מתן הסבר להיווצרותם על שני כוכבי הלכת השונים במערכת השמש שלנו- באמצעות סדרה של ניסויים במנהרות רוח ופיתוח מודל מתמטי חדשני.
במחקר, שהתפרסם בכתב העת Nature Geoscience, חקרו מדענים מדנמרק, גרמניה, איטליה, סין וארה"ב למחקר משותף בהובלת הפיזיקאי פרופ' חזי יצחק, הגאוגרף פרופ' יצחק קטרה והדוקטורנט ליאור סבן מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב את אופן היווצרות תופעת גלוני החול הייחודיים שנצפו במאדים, ולאחרונה גם בכדור הארץ. לשם כך, הם פיתחו סדרת ניסויים במנהרות רוח, בשילוב מודל מתמטי חדשני.
5 צפייה בגלריה
גלונים שהתקבלו במנהרת הרוח של אוניברסיטת בן גוריון בנגב עם כדורי זכוכית בקוטר של 90 מיקרון
(צילום: פרופ' חזי יצחק)
5 צפייה בגלריה
הגלונים בתוך מנהרת הרוח במעבדה לסימולציה איאולית באוניברסיטת בן גוריון
(צילום: פרופ' חזי יצחק)
בדצמבר 2015, רכב החלל קיוריוסיטי של נאס"א צילם גלוני חול במכתש Gale במאדים. התמונות הראו תבניות שונות של גלוני חול: גלונים גדולים - בקנה מידה של מטר, ועליהם גלונים קטנים - בקנה במידה של דצימטר. דו-הקיום של שתי סקאלות האורך שנצפו במאדים היה תגלית חשובה מאוד, שכן הוא טרם נתגלה על פני כדור הארץ.
חוקרים טענו שהגלונים הקטנים נוצרו כתוצאה מפגיעת גרגרי החול המוסעים על ידי הרוח, שגורמים בעת פגיעה בקרקע החולית ליצירת ערמות חול קטנטנות, המתפתחות עם הזמן לגלונים המתקדמים עם כיוון הרוח. הגלונים הגדולים לשיטתם, נוצרו עקב אי-יציבות הידרודינמית כמו הגלונים שנוצרים בכדור הארץ מתחת לפני המים. התיאוריה חזתה כי הלחץ האטמוספירי במאדים, הקטן פי 100 מזה של כדור הארץ, לא יאפשר את התפתחותם של שני גדלי הגלונים על פני כדור הארץ בו זמנית.
קבוצת המחקר רצתה לבחון האם תופעה כזו יכולה להתקיים בתנאי כדור הארץ (מבחינת לחץ אטמוספרי) ועל כן בנתה סדרת ניסויים שנערכו במנהרת רוח במעבדה לסימולציה איאולית באוניברסיטת בן גוריון בנגב, שאורכה שבעה מטרים, ובמנהרה ייחודית המדמה את הלחץ הנמוך שעל פני מאדים הנמצאת באוניברסיטת אורהוס בדנמרק.
עוד בחנו המדענים, כיצד גודל הגרגר, לחץ האוויר ומהירות הרוח משפיעים על ממדי הגלונים. לשם כך, הם השתמשו בכדורי זכוכית זעירים (בגודל של 90 מיקרון) בכדי להתאים את גודל חלקיקי החול לתנאי מאדים (הגודל הממוצע של גרגרי החול בדיונות בכדור הארץ הוא 250 מיקרון לעומת 100 מיקרון במאדים).
5 צפייה בגלריה
מנהרת הרוח באוניברסיטת אורהוס בדנמרק המאפשרת להקטין את הלחץ לזה השורר על פני מאדים, הקטן פי 200 מהלחץ האטמוספרי על פני כדור הארץ (המנהרה נמצאת בתוך המיכל האדום הגדול)
(צילום: פרופ' חזי יצחק)
5 צפייה בגלריה
גלונים בעלי אורך הגל הקצר הקשורים למנגנון הפגיעה של גרגרי החול (בצבע צהוב) וגלונים בעלי אורך גל ארוך יותר הנוצרים על ידי יציבות הידרודינמית שכוללים גלונים במים, גלונים שהתקבלו בניסויים במנהרת הרוח באוניברסיטת בן גוריון וגלונים במאדים (בצבע תכלת)
(איור: מתוך המחקר שהתפרסם בכתב העת Nature Geoscience)
הניסויים כללו מדידות של הגובה ואורך הגל של הגלונים שהתפתחו כפונקציה של מהירות הרוח ובזמנים שונים לאורך הניסוי וכן סריקה תלת-ממדית של המורפולוגיה של הגלונים. ממצאי הניסויים הראו תבנית דומה לזו שהתגלתה על פני המאדים, אך בסקאלה קטנה יותר - גלונים גדולים עם אורך גל של כ-10 ס"מ ועליהם גלונים קטנים עם אורך גל של 1 ס"מ.
על פי המודל החדש, הגלונים הגדולים נוצרים מאי יציבות הידרודינמית בעוד הקטנים הם גלונים רגילים. לכן, נראה שפעולת הרוח על גרגרי החול במאדים דומה במידה מסוימת לפעולת זרימת מים על פני החול בכדור הארץ וזאת בשל הצמיגות הקינמטית הגבוהה של אטמוספרת מאדים, הקובעת את אורך הגל של הגלונים כמו בגלונים במים (הצפיפות הקינמטית היא היחס בין הצמיגות הדינמית לצפיפות הזורם).
"הבנת הפיזיקה של תנועת החול על ידי הרוח חשובה להבנת תהליכי עיצוב נוף בכדור הארץ ובמאדים, בייחוד בהיבט של הקמת מושבות מאוישות עתידיות במאדים", הסביר פרופ' יצחק. "אזורים גדולים במאדים נתונים להשפעה של סופות חול ואבק ולכן הבנה של תהליכים אלו תסייע למתיישבים הראשונים להתמודד טוב יותר עם הסביבה המאתגרת של מאדים. מדהים להציע משהו כל כך קיצוני וחדש בתחום שאני חוקר כבר יותר מ-20 שנה, אולם יש להמשיך ולחקור את הנושא באמצעות ניסויים מבוקרים נוספים. מרגש למצוא על כדור הארץ את מה שניתן לראות בבירור על מאדים", הוסיף פרופ' יצחק.
