Zandtransport draait om een krachtenbalans die uitvalt in het voordeel van de krachten en druk die de wind uitoefent op individuele zandkorrels. Simpel gezegd verstuift zand als de wind aan het oppervlak de juiste snelheid heeft bereikt waardoor de krachten van de windstroming de korrels in beweging kunnen zetten. De kracht van de wind wordt ook bepaald door de dichtheid van de atmosfeer.

Dit is geen geleidelijk proces, maar het gebeurt bij een bepaalde grenssnelheid. De afmeting van de stofdeeltjes en zandkorrels is daarin bepalend. Grotere zandkorrels zijn zwaarder en hebben een hogere windsnelheid nodig om in beweging te komen dan kleinere korrels. Zodra korrels heel klein worden (denk aan de fijne stofdeeltjes in stofstormen), dan gaan de krachten tussen korrels onderling een belangrijkere rol spelen waardoor ze als het ware aan elkaar blijven ‘plakken’. De krachtenbalans van zandverstuiving is daarom afhankelijk van zowel de eigenschappen van het materiaal als die van de luchtstroming.

Een fascinerende niche is de rol van de atmosfeer in het wegwaaien van zand. Hierbij gaat het dan niet op de windsnelheid, maar de luchtdichtheid. Dankzij het topografisch relief hier op aarde, neemt de luchtdruk af naarmate je hoger komt. In de onderstaande foto zie je een mooie illustratie tijdens een van mijn beklimmingen in Chili. Als we het over eolische processen in de bergen hebben, dan draait het allemaal om het effect van luchtdruk, of beter gezegt: de luchtdichtheid. Elders in het zonnestelsel is de gesteldheid van de atmosfeer wezelijk anders dan op aarde: op Venus en Titan hebben een hogere luchtdruk terwijl die op Mars en Pluto aanzienlijk lager is. Deze plekken hebben met elkaar gemeen dat er op hun oppervlak eolische processen plaatsvinden en duinen bestaan.

Gortdroge woestijnplaneet

De planeet Mars is vandaag de dag een andere wereld dan wat het ooit was. Zo stroomden er miljarden jaren geleden rivieren van water, barstten er vulkanen uit en was het oppervlak van de rode planeet zo nu en dan even wit als gevolg van ijstijden. Tegenwoordig is Mars een koude gortdroge woestijnplaneet die een groot deel van zijn atmosfeer verloor door toedoen van de zon. De luchtdruk is er slechts 1% van die op zeeniveau op aarde. Die ijle lucht zorgt er dus ook voor dat het zand op een andere manier verstuift.

Het mysterie van bewegend zand op Mars

Die krachten van de wind zijn afhankelijk van de atmosferische dichtheid en het kwadraat van de wrijvingssnelheid (een maat voor de windsnelheid die onafhankelijk is van de meethoogte). Als gevolg van de lage atmosferische dichtheid op Mars zijn er in vergelijking met de Aardse atmosfeer veel hogere windsnelheden nodig om zand te laten verstuiven. Dit effect van de ijle atmosfeer was de reden waarom lang gedacht werd dat landschapsvormen zoals zandduinen nu maar moeilijk kunnen verstuiven. Het zouden dus fossiele restanten moeten zijn uit een tijd dat de atmosfeer gunstiger was voor het aanjagen van zandverstuivingen. Dat beeld is radicaal veranderd nu blijkt dat marsduinen bijna net zo snel door het landschap kruipen als zandduinen hier op aarde (zoals in de droge valleien op Antarctica). Die waarneming is echter paradoxaal aangezien de windsnelheidsmetingen door marslanders en atmosferische circulatiemodellen aantonen dat de benodigde snelheden op Mars zeer zeldzaam zijn. Zandverstuiving is dus een onvolprezen ‘Marsmysterie’ aangezien we de procesdynamiek nog niet voldoende begrijpen om het op Mars goed te verklaren.

Op zoek naar een oplossing

Diverse studies proberen een verklaring te vinden voor het hoge zandtransport op Mars. Daarbij richtte men zich veelal op de omstandigheden van het saltatieproces waarmee zand bij hoge windsnelheden in een soort stuiterbeweging over het oppervlak beweegt. Een deel van de uitleg zit in het feit dat zandkorrels elkaar wegketsen als ze door de wind in een saltatiebeweging verplaatst worden. Zo heb je dankzij die extra botsingen een minder hoge windsnelheid nodig om zand in beweging te houden. Dat proces blijkt op Mars bovendien effectiever dan op aarde, waardoor je na het losblazen van zandkorrels slechts een fractie van de windsnelheid nodig hebt om het te laten verstuiven. De vraag blijft echter nog altijd, hoe krijgt het zand het eerste zetje om in beweging te komen? Hiervoor kun je inzoomen op de krachtenbalans van een van de fenomenen die bijdragen aan zandverstuiving. In de fase van de zandonthechting komen zandkorrels al in beweging vóórdat ze hun saltatie-sprongen over het oppervlak maken. Aangezien dit feomeen dus een lagere windsnelheden nodig heeft, kan dit proces op Mars vaker plaatsvinden omdat de benodigde (lagere) windsnelheden vaker voorkomen. Met een windtunnel kun je daarom gecontroleerd onderzoek doen naar de omstandigheden en kenmerken van zandonthechting.

Onderzoek met een Deense windtunnel

Bij het Marslab aan de Aarhus Universiteit in Denemarken bevind zich de AWTS-1, een circulerende windtunnel waarin je experimenten kunt uitvoeren met de lage luchtdruk (cq. luchtdichtheid). Door de samenstelling, temperatuur en/of de luchtdruk te veranderen kan in de windtunnel de dichtheid van de atmosfeer van Mars worden nagebootst. Het hercirculerende ontwerp zuigt de lucht over een een plaat zodat er een grenslaag ontstaat. Zo worden de zandkorrels blootgesteld aan de krachten van een windstroming. In deze Deense windtunnel heb ik mijn eerste windtunnelexperimenten uitgevoerd om de zandonthechting van vulkanisch zand te bestuderen. Uit de experimenten bleek dat zelfs zandkorrels met een grillige vorm in beweging komen bij windsnelheden die lager liggen dan wanneer je alleen naar het moment van de ‘saltatie’ van de zandkorrels zou kijken. Zandonthechting heeft nog een bijzondere eigenschap. Vanaf een bepaalde korrelgrootte blijkt dat de afmeting een minder grote rol speelt. De kleinere stofdeeltjes zijn nog altijd moeilijker in beweging te zetten, maar de grotere zandkorrels komen min of meer gelijktijdig bij dezelfde windsnelheid in beweging. Al deze effecten kunnen zodoende bijdragen aan het aanjagen van zandverstuivingen bij lagere windsnelheden in de ijle Marsatmosfeer.

Uit mijn windtunnelonderzoek bleek verder dat er relevante materiaaleigenschappen en procesparameters zijn die in nieuwe windtunnelexperimenten verder onderzocht moeten worden. Een daarvan is bijvoorbeeld het effect van de zwaartekracht. Met een lager zwaartekracht kunnen de krachten die tussen korrels onderling werken (zoals elektrostatische effecten) een grotere bijdrage hebben in de krachtenbalans dan hier op aarde. In de droge lucht op Mars verwachten we zelfs dat derglijke factoren niet verwaarloosbaar zijn.

Nieuw type windtunnel to the rescue?

Het is moeilijk om in windtunnels in het laboratorium de zwaartekracht van een planeet goed na te bootsen. Sommige onderzoekers experimenteerden daarom met theeblaadjes en verpulverde walnoten om het effect van een lagere zwaartekracht na te bootsen. Een walnootkruimel heeft een lager dichtheid dan een echte zandkorrel van verglijkbare afmeting, zodat je in feite de dichtheid ruilt voor het verschil in zwaartekracht met Mars. Als je echter geïntereseerd bent in de krachten tussen individuele zandkorrels (van een bepaalde mineralogische samenstelling), dan geven walnoten en theeblaadjes daar weinig relevante inzichten in. Daarom zijn nieuwe windtunnelexperimenten nodig.

Conventionele windtunnels kunnen beperkt ingezet worden voor onderzoek met lage zwaartekracht (tijdens paraboolvluchten) en lage luchtdruk (zoals in een vacuümkamer, of een hypobare kamer) als gevolg van hun beperkende fysieke afmetingen. Een Carousel WindTunnel heeft een compact ontwerp dat bestaat uit twee concentrisch geplaatste trommels. Hiervan kan de binnentrommel ronddraaien zodat er in de ruimte tussen de trommels een windstroming wordt gevormd met een oneindige stromingslengte. Deze innovatieve windtunnel moet het dus mogelijk maken om de krachtenbalans van zandkorrels in een grenslaag in meer detail te onderzoeken.

Demo-experimenten effecten luchtdichtheid

Als je hierna nóg niet overtuigd bent dat luchtdichtheid (luchtdruk) een interessante niche is voor eolisch onderzoek op aarde én op planeten, dan heb ik nog een leuk demo-experiment. Met simpele experimenten kun je de effecten van lage luchtdichtheid namelijk ook zichtbaar maken; bedenk maar eens hoe een frisbee zou vliegen op Mars. Je kunt het ook over een andere boeg gooien. In 2012 dook ESA-astronaut Tim Peake naar het duikstation Aquarius om deel te nemen aan het NEEMO16 missie. Het was een trainingsmissie om nieuwe technieken en procedures te testen die ook ooit in de ruimte gebruikt kunnen worden. Tijdens NEEMO16 voerden de aquanauten ook een speciaal onderwijsprogramma uit: Science Under Pressure. Eén van de educatie-experiment was het Dasymeter experiment en had ik voorgesteld aan de ESA. Een Dasymeter (je spreekt het uit als ‘daah-zie-meter‘) werd in 1650 bedacht door Otto von Guericke en bestaat uit een luchtdichte dunwandige glazen bol die aan een balans is opgehangen. Voor het SUP programma werd de glazen bol op zeeniveau met een contragewichtje in balans gebracht en vervolgens afgezonken naar het duikstation op >18 meter diepte.

Dankzij de massa van de waterkolom is de luchtdichtheid in het duikstation echter 2,5 keer hoger dan op zeeniveau. Door de hogere luchtdichtheid oefent het omringende gas een grotere opwaartse druk uit op de glazen bol, in vergelijking met de omgevingslucht op zeeniveau. Dit heeft als gevolg dat de balans van de Dasymeter wordt verstoord, waardoor de glazen bol omhoog beweegt. Met de Dasymeter illustreer je dus in feite de Wet van Archimedes in gassen. Het experiment laat op een leuke manier zien dat de luchtdichtheid een krachtenbalans kan verstoren, iets dat ook van toepassing is als je het wegwaaien van zand in verschillende planeetatmosferen vergelijkt.

Voor de thema-aflevering ‘Lucht’ van het Klokhuis, bedacht ik een experimentje met een simpele drone, om het effect van lagere luchtdichtheid (cq. luchtdruk) te illustreren. Normaal heeft de kleine drone op zeeniveau voldoende vermogen om in de lucht te blijven. De propellers genereren voldoende lift en daarmee stuwkracht om te blijven zweven. Naarmate de luchtdruk daalt, zijn er minder luchtdeeltjes waar de drone zich tegen kan ‘afzetten’ en zo verliest de drone het vermogen om in de ijle lucht te blijven zweven. Rond een equivalente drukhoogte van 5.350 meter was er onvoldoende lift/stuwkracht om nog in de lucht te blijven hangen.