הרוח, החול והמים: הסבר חדש לתופעת גלוני חול בכדור הארץ ובמאדים

גלוני חול הן תבניות שובות עין הנוצרות על ידי פעולת הרוח על גרגרי החול. הם נפוצים על פני אזורים נרחבים במאדים ובכדור הארץ באזורי דיונות חול ועל חוף הים. מחקר בינלאומי חדש בהובלת אוניברסיטת בן-גוריון בנגב איתגר את התיאוריה הרווחת, לפיה תנאים פיזיקליים שונים מאפשרים התפתחות של גלונים שאינם קיימים על פני כדור הארץ. אך מה אם תיאוריה מאוחדת אחת תוכל להסביר את היווצרותם על שני כוכבי הלכת השונים במערכת השמש שלנו? קבוצת מחקר בחנה זאת באמצעות סדרה של ניסויים במנהרות רוח ופיתוח מודל מתמטי חדשני. ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת היוקרתי Nature Geoscience.

מדענים מדנמרק, גרמניה, איטליה, סין, ארה"ב התאחדו למחקר משותף בהובלת הפיזיקאי פרופ' חזי יצחק, הגאוגרף פרופ' יצחק קטרה והדוקטורנט ליאור סבן מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב במטרה להבין 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.

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, כאשר אלו פוגעים בקרקע החולית הם גורמים 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 אטמוספירי) ועל כן בנתה סדרת ניסויים שנערכו במנהרת רוח במעבדה לסימולציה איאולית באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, שאורכה 7 מטרים ובמנהרה ייחודית המדמה את הלחץ הנמוך שעל פני מאדים, הנמצאת באוניברסיטת אהרוס 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). 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. אי לכך, נראה שפעולת הרוח על גרגרי החול במאדים דומה במידה מסוימת לפעולת זרימת מים על פני החול בכדור הארץ וזאת בשל הצמיגות הקינמטית הגבוהה של אטמוספירת 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' חזי 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. כמובן, יש להמשיך ולחקור את הנושא באמצעות ניסויים מבוקרים נוספים, אולם זה מרגש למצוא על כדור הארץ את מה שניתן לראות בבירור על מאדים", אמר פרופ' חזי יצחק.

מחקר זה (מענק מס' 1270/20) נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע, קרן גרמניה-ישראל למחקר ופיתוח מדעי (GIF) (מענק מס' 155-301.10/2018), הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין, תחנת הניסויים ההנדסיים A&M בטקסס, מענק Europlanet מס' 871149 ותוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020.

קבוצת המחקר כללה את: פרופ' חזי יצחק הוא חבר במחלקה לאנרגיה סולארית ופיסיקה סביבתית, פרופ' יצחק קטרה הוא חבר במחלקה למדעי הסביבה, גיאואינפורמטיקה ותכנון ערים, שניהם מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב.