Un estudio sobre la dinámica de dunas ayudará a entender la formación del relieve de Marte

Científicos de la Universidad de Campinas, en Brasil, realizaron más de 120 ensayos con pequeños médanos de hasta 10 centímetros que interactúan al cabo de algunos minutos. Y obtuvieron un modelo extensible a las formaciones kilométricas de la superficie marciana, que tardan más de mil años para interactuar

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Los barjanes son médanos en forma de luna en cuarto creciente o medialuna, cuyos extremos apuntan hacia el escurrimiento del fluido. Pueden aparecer en diversos ambientes, desde el interior de tuberías de agua y en el lecho de los ríos, donde exhiben tamaños de hasta 10 centímetros, pasando por los desiertos terrestres, donde superan los 100 metros, hasta la superficie de Marte, donde alcanzan dimensiones de un kilómetro o más. En la compañía de la escala de tamaño, existe también una escala de tiempo referente a la formación y la interacción de esas dunas. Las magnitudes en tal sentido van del minuto, para los pequeños barjanes del medio acuático, hasta el año, para los de porte mediano de los desiertos terrestres; y hasta el milenio, para los gigantes del relieve marciano.

Estas dunas se forman debido a la interacción entre el escurrimiento de un fluido (gas o líquido) y un material granular (normalmente arena), en condiciones de escurrimiento predominantemente unidireccionales (lea más en: agencia.fapesp.br/29193). 

“Lo interesante es que, más allá de las diferencias de escala, los barjanes exhiben dinámicas de formación e interacción muy parecidas. Esto hace posible que, al estudiar los del medio acuático en laboratorio, podamos formular pronósticos sobre la evolución de las dunas de Lençóis Maranhenses [un ecosistema de la costa del nordeste brasileño, en el estado de Maranhão] o saber cómo se constituyó el relieve de la región de Hellespontus, en Marte”, dice el investigador Erick Franklin, docente de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Campinas (FEM-Unicamp), en el estado de São Paulo, Brasil.

Junto con su alumno de doctorado William Righi Assis, Franklin realizó más de 120 ensayos e identificó cinco tipos básicos de interacción entre médanos barjanes. 

Este estudio, realizado enteramente en la Unicamp, aparece descrito en un artículo publicado en el periódico científico Geophysical Research Letters. La investigación contó con financiación de la FAPESP mediante un “Apoyo a Jóvenes Investigadores – Etapa II”, concedido a Franklin, y una Beca de Doctorado Directo, otorgada a Righi Assis.

Un hecho impresionante indica que, además de poseer una forma robusta que aparece en ambientes muy distintos, los barjanes generalmente se organizan en corredores, en los cuales sus tamaños son aproximadamente los mismos. Los análisis de dunas individuales apuntan que las mismas deberían crecer indefinidamente y volverse cada vez mayores, pero no es esto lo que sucede. Una de las explicaciones para que tengan un tamaño característico en un determinado ambiente reside en que las interacciones binarias, fundamentalmente las colisiones, redistribuyen la masa de arena, y los médanos que tendían a crecer se subdividen en dunas menores.

“Si bien este proceso ya había sido postulado anteriormente, nadie había puesto a prueba y mapeado extensivamente estas interacciones, toda vez que las colisiones de dunas tardan décadas para producirse en los desiertos terrestres. Aprovechando que los barjanes subacuáticos son pequeños y mucho más rápidos, realizamos ensayos en un canal hidrodinámico elaborado en material transparente, donde se formaron y se transportaron pares de dunas mediante el escurrimiento turbulento de agua, mientras que una cámara filmadora captaba las imágenes. E identificamos por primera vez los cinco tipos básicos de interacción binaria”, afirma Franklin.

En los ensayos, los investigadores hicieron variar de manera independiente los diversos parámetros implicados en el problema: el tamaño de los granos, la densidad de los mismos, su esfericidad, la velocidad del escurrimiento del agua y las condiciones iniciales. Y las imágenes se procesaron en computadora mediante el empleo de un código numérico que ellos mismos crearon. Con base en esto, propusieron dos mapas que suministran una clasificación general de las interacciones posibles.

“Nuestros experimentos demostraron que, cuando se produce una colisión binaria, el barján que estaba originariamente por delante expele una duna de masa aproximadamente igual a la del barján que estaba detrás. La impresión que da es que el barján ubicado detrás habría pasado por sobre el otro como una ola, pero el uso de granos de colores nos ayudó a demostrar que no es esto lo que sucede. A decir verdad, el barján que está detrás entra en el que está delante. Este último se vuelve demasiado grande y libera una cantidad de masa más o menos igual a la que ha recibido”, informa el investigador.

Las interacciones entre dos barjanes comprenden básicamente dos mecanismos. El primero es la perturbación provocada en el fluido, que se desvía del barján situado detrás, adquiere velocidad y alcanza al barján situado delante, provocando en este último una erosión mayor. Es el llamado “efecto de cinta”. El segundo consiste en que un barján se apoya en el otro, de manera tal que sus granos se mezclan. Es la llamada “colisión”. 

“Nuestros datos experimentales demostraron que estos dos mecanismos provocan cinco tipos de interacciones barján-barján. Teniendo en cuenta que la velocidad de una duna es inversamente proporcional a su tamaño, las dos más simples son las que denominamos chasing y merging”, dice Franklin.

La chasing ocurre cuando los ambos barjanes tienen aproximadamente el mismo tamaño y la erosión provocada por el efecto de cinta hace que la duna situada delante disminuya de tamaño. Los dos barjanes pasan entonces a moverse a la misma velocidad, y mantienen una distancia constante entre ellos. Al tiempo que la merging sucede cuando el barján que está detrás es mucho menor que el que está delante. La erosión provocada por la cinta no disminuye mucho el tamaño de la duna situada delante, de manera tal que los barjanes colisionan y pasan a formar un solo médano.

El tercer tipo de interacción, denominado exchange, es más complicado. “Ocurre cuando el barján situado detrás es menor, pero no mucho menor que el barján situado delante. En este caso, también la duna que situada detrás llega al otro barján y ambos colisionan. Al chocarse, la duna menor sube y se esparce lentamente sobre la mayor. Pero durante este proceso, el escurrimiento, que se desvía de la nueva duna, provoca una fuerte erosión en su parte frontal, y esta eyecta un nuevo barján. Como es menor y surge delante, este nuevo barján migra más rápido y se aparta”, describe el investigador.

Los dos últimos tipos de interacciones suceden cuanto el escurrimiento del fluido es muy fuerte. “En este caso, tenemos la fragmentation-chasing, cuando las dunas tienen tamaños distintos. El efecto de cinta en la duna situada delante es tan fuerte que esta se divide en dos médanos menores que la duna que estaba situada detrás. De esta forma, el resultado final son tres dunas que se apartan unas de otras. El último tipo, denominado fragmentation-exchange, es parecido al caso anterior. La diferencia radica en que la duna situada detrás se apoya sobre la que está situada delante antes de que esta última culmine su división en dos”, detalla Franklin.

Resulta fácil entender los cinco tipos cuando se los visualiza en este video. Por cierto, el soporte visual fue precisamente lo que hizo posible la construcción de toda esta tipología. “Nuestros resultados, obtenidos para barjanes subacuáticos que miden centímetros de longitud y se desarrollan en minutos, constituyen un importante avance en la comprensión de la dinámica y la formación de este tipo de dunas. Mediante leyes de escala, nos permiten trasladar las conclusiones a otros ambientes, donde los tamaños son mayores y los tiempos mucho más lentos. La comprensión del pasado de Marte, o la proyección de su futuro lejano, que ahora están bajo el foco de la ciencia, pueden verse bastante facilitadas, merced a este recurso”, culmina el investigador.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado A comprehensive picture for binary interactions of subaqueous barchans en el siguiente enlace: agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL089464.