Les barkhanes sont des dunes de sable en forme de croissant dont les deux cornes sont tournées dans le sens de l'écoulement du fluide. Ils apparaissent dans des environnements différents, comme à l'intérieur des conduites d'eau ou sur le lit des rivières, où ils prennent la forme d'ondulations de dix centimètres, et déserts, où ils peuvent dépasser 100 mètres, et la surface de Mars, où ils peuvent mesurer un kilomètre ou plus. Si leur taille varie considérablement, il en va de même pour le temps qu'ils mettent à se former et à interagir. Les ordres de grandeur vont d'une minute pour les petites barkhanes dans l'eau à un an pour les grandes formations désertiques et à un millénaire pour les géants sur Mars.

Ils sont formés par l'interaction entre l'écoulement d'un fluide, tels que gaz ou liquide, et matière granuleuse, généralement du sable, dans des conditions d'écoulement majoritairement unidirectionnelles.

"Ce qui est intéressant, c'est la similitude de leur dynamique de formation et d'interaction, quelle que soit la taille. Par conséquent, on peut étudier les barkhanes aquatiques en laboratoire pour faire des prédictions sur l'évolution des dunes des Lençóis Maranhenses [un écosystème côtier du nord-est du Brésil] ou pour enquêter sur les origines de la topographie de la région d'Hellespontus sur Mars, " a déclaré Erick Franklin, chercheur et professeur à l'École de génie mécanique de l'Université de Campinas (FEM-UNICAMP) dans l'État de São Paulo, Brésil.

Travailler avec son doctorat. étudiant Willian Righi Assis, Franklin a réalisé plus de 120 expériences et identifié cinq types d'interaction de base entre les barkhanes.

L'étude, entièrement réalisé à UNICAMP, est rapporté dans un article publié dans la revue Lettres de recherche géophysique . Il a été soutenu par la FAPESP via une subvention de jeune chercheur de phase 2 attribuée à Franklin et une bourse de doctorat directe attribuée à Assis.

Un aspect frappant du sujet est qu'en plus d'avoir une forme robuste qui apparaît dans de nombreux environnements différents, les barchans forment généralement des couloirs dans lesquels leurs tailles sont approximativement les mêmes. L'analyse des dunes individuelles suggère qu'elles devraient croître indéfiniment, devenant de plus en plus grand, Mais ce n'est pas le cas. Une explication de leur taille caractéristique dans un environnement donné est que les interactions binaires, surtout les collisions, redistribuer la masse de sable, et au lieu de croître continuellement, elles se subdivisent en dunes plus petites.

"Cela a été proposé dans le passé, mais personne n'avait largement testé et cartographié ces interactions, alors que les collisions de dunes mettent des décennies à se produire dans les déserts terrestres, " a déclaré Franklin. " Profitant du fait que les barkhanes sous-marines sont petites et se déplacent beaucoup plus rapidement, nous avons mené des expériences dans un canal hydrodynamique en matériau transparent, avec un écoulement d'eau turbulent formant et transportant des paires de barkhanes pendant qu'une caméra filmait le processus. Nous avons identifié pour la première fois les cinq types de base d'interaction binaire."

Dans les expériences, les chercheurs ont fait varier indépendamment chacun des paramètres impliqués dans le problème, comme le diamètre des grains, densité et rondeur, vitesse d'écoulement de l'eau, et conditions initiales. Les images acquises ont été traitées par ordinateur à l'aide d'un code numérique écrit par les chercheurs. Sur la base des résultats, ils ont proposé deux cartes qui ont fourni une classification générale des interactions possibles.

"Nos expériences ont montré que lorsqu'une collision binaire se produit, le barchan qui était à l'origine en aval, c'est-à-dire devant, expulsé une dune de masse approximativement égale à celle de la barkhane en amont, c'est-à-dire derrière, " dit Franklin. " La première impression était que le barchan en amont passa au-dessus de l'autre barchan comme une vague, mais l'utilisation de grains colorés nous a aidés à montrer que cela ne s'est pas produit. Réellement, le barchan amont est entré dans le barchan aval, qui devenait trop grande et libérait une masse plus ou moins égale à la masse reçue."

Les interactions entre les deux barkhanes impliquaient essentiellement deux mécanismes. L'un était la perturbation causée dans le fluide, qui contournait la barkhane amont, accéléré et impacté le barchan aval, qui s'est érodé. C'est ce qu'on appelle "l'effet de sillage". L'autre était la collision dans laquelle les grains des barchans en collision ont fusionné.

"Nos données expérimentales ont montré que ces deux mécanismes provoquaient cinq types d'interaction barchan-barchan, " a dit Franklin. " Gardant à l'esprit que la vitesse d'une dune est inversement proportionnelle à sa taille, les deux plus simples sont ce que nous appelons la poursuite et la fusion."

La chasse se produit lorsque les deux barkhanes ont à peu près la même taille et l'érosion due à l'effet de sillage fait diminuer la taille de la dune en aval. Les deux barchans se déplacent alors à la même vitesse et restent à distance constante l'un de l'autre. La fusion se produit lorsque le barchan amont est beaucoup plus petit que le barchan aval. L'érosion provoquée par le sillage ne diminue pas sensiblement la taille de la dune amont, pour que les barchans se heurtent et se confondent, formant une seule dune.

Le troisième type d'interaction est l'échange, ce qui est plus compliqué. "L'échange se produit lorsque le barchan amont est plus petit que le barchan aval, mais pas beaucoup plus petit. Ici, trop, la dune amont rattrape la dune aval et ils entrent en collision. Comme ils le font, la plus petite dune monte et s'étend sur la plus grande. Au cours de ce processus, cependant, l'écoulement du fluide, qui est dévié par la nouvelle dune, érode fortement le front de la dune, qui éjecte une nouvelle dune. Parce qu'il est plus petit et émerge en aval, la nouvelle dune se déplace plus vite et une brèche s'ouvre entre les deux dunes, ", a déclaré Franklin.

Les deux derniers types d'interaction se produisent lorsque l'écoulement du fluide est très fort. "Ce que nous appelons 'la poursuite de la fragmentation', c'est lorsque les dunes sont de tailles différentes. L'effet de sillage sur la dune en aval est si fort qu'elle se divise en deux. Les deux dunes résultantes sont plus petites que la dune en amont. Le résultat est trois dunes avec des écarts qui s'élargissent entre eux. Le dernier type est « fragmentation-échange », qui est similaire. La différence est que la dune amont atteint la dune aval avant que sa division en deux ne soit complète, ", a déclaré Franklin.

Les cinq types sont faciles à comprendre dans la vidéo d'accompagnement. En réalité, les chercheurs ont pu construire la typologie grâce au support visuel offert par les films décrits dans l'article. "Nos résultats, obtenu pour des barkhanes subaquatiques mesurant quelques centimètres et développées en quelques minutes, faire progresser significativement la compréhension de la dynamique et de la formation de ce type de dunes, " a déclaré Franklin. " Grâce aux lois d'échelle, ils nous permettent de transposer les résultats à d'autres environnements, où les tailles sont plus grandes et les durées plus longues. Comprendre le passé de Mars ou projeter son futur lointain, qui intéressent actuellement tous les deux les scientifiques, pourrait être grandement facilitée par ces découvertes." Les barkhanes sont des dunes de sable en forme de croissant dont les deux cornes sont tournées dans le sens de l'écoulement du fluide. Elles apparaissent dans différents environnements, comme à l'intérieur des conduites d'eau ou sur le lit des rivières, où ils prennent la forme d'ondulations de dix centimètres, et déserts, où ils peuvent dépasser 100 mètres, et la surface de Mars, où ils peuvent mesurer un kilomètre ou plus. Si leur taille varie considérablement, il en va de même pour le temps qu'ils mettent à se former et à interagir. Les ordres de grandeur vont d'une minute pour les petites barkhanes dans l'eau à un an pour les grandes formations désertiques et à un millénaire pour les géants sur Mars.

Ils sont formés par l'interaction entre l'écoulement d'un fluide, tels que gaz ou liquide, et matière granuleuse, généralement du sable, under predominantly unidirectional flow conditions. 

"What's interesting is the similarity of their formation and interaction dynamics, regardless of size. Par conséquent, 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, Brésil.

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

L'étude, 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. Sur la base des résultats, 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. Réellement, 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. Ici, trop, 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. Au cours de ce processus, cependant, 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. En réalité, 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."