- Den enorme styrken er like overraskende som selve stormen

Sandstormenes gåte kan snart være løst.

Hei, denne artikkelen er over ett år gammel og kan innholde utdatert informasjon

Artikkelen er skrevet av Bjørn H. Samset, partikkelfysiker og klimaforsker ved Cicero Senter for klimaforskning. Den ble opprinnelig publisert på den populærvitenskapelige bloggen kollokvium.no.

(Kollokvium.no): Sandstormer er mektige naturfenomen. Der det er et overskudd av sand eller støv på bakken, som i en ørken, er det alltid en fare for at vinden vil piske opp et virvlende kaos av flygende korn.

Sandstormer kan være like ødeleggende som en orkan, og dukker opp i alt fra historier fra Gulf-krigen og 2. verdenskrigs kamper i nordre Afrika, til Hollywood-filmer, Donald-historier og spenningsbøker.

Men hvordan virker en sandstorm?

APOKALYPTISK: En vegg av sand beveger seg over Det indiske hav. Forskere forsøker å forstå dette mektige - og potensielt svært ødeleggende - naturfenomenet bedre. Foto: REUTERS/Brett Martin/fishwrecked.com/NTB Scanpix
APOKALYPTISK: En vegg av sand beveger seg over Det indiske hav. Forskere forsøker å forstå dette mektige - og potensielt svært ødeleggende - naturfenomenet bedre. Foto: REUTERS/Brett Martin/fishwrecked.com/NTB Scanpix Vis mer

Hvordan er det mulig for så mange sandkorn å fly så intenst rundt på en gang? Det har fysikere problemer med å forklare. Til nå.

Forklaringen på sandstormers enorme styrke er minst like overraskende som stormene selv.

Et mektig naturfenomen Rundt år 500 f.Kr. hersket kong Kambyses II i Persia. I et forsøk på å vise militær makt sendte han en hærstyrke på hele 50 000 mann til oasen Siwa i den vestlige delen av dagens Egypt. For å komme dit måtte de reise over mye av den egyptiske ørkenen.

Underveis blåste en mektig sandstorm brått opp, og hele hæren ble begravet og forsvant. Så sier ihvertfall legendene, ansporet av en nedtegnelse fra den greske historikeren Herodot. Kong Kambyses tapte hær har vært diskutert, lett etter, oppdaget, avfeid og oppdaget igjen gjennom mye av det 20. århundrets vitenskapelige og litterære historie.

Per i dag vet ingen sikkert om Herodots beskrivelse er korrekt. Om den er det så er oddsene gode for at sporene er tapt i tidens sand. Det vi derimot kan avgjøre, er om en slik hendelse er fysisk mulig.

INKOMMENDE: En sandstrom treffer ørkenbyen Bikaner i India. Foto: AP/NTB Scanpix
INKOMMENDE: En sandstrom treffer ørkenbyen Bikaner i India. Foto: AP/NTB Scanpix Vis mer

Kan en sandstorm blåse brått opp og sluke 50.000 krigere? Naturen selv sier at svaret klart er ja. Som vanlige stormer kommer sandstormer i alle størrelser, og de største av dem kan finne på å blåse såpass mye støv og sand opp at de kan transporteres store deler av veien rundt kloden.

Til høyre kan du se flotte animasjoner fra  NASA-satelittbilder av stormer over Sahara og Østasia.

Sandstorm 101 Når en stor sandstorm kommer mot deg ser du bare en mørk vegg av flygende sand. Spørsmålet som interesserer fysikere er hvordan vinden klarer å få all den sanden opp i luften, og så jevnt holde så mange sandkorn flygende av gangen — korn som tross alt helst vil trekkes ned igjen av tyngdekraften.

Bevegelsen i en sandstorm har tre deler. Tenk deg en rolig, flat, vindstille ørken, der vinden plutselig tar seg kraftig opp. Sandkornene på overflaten ligger ganske løst, så først vil noen av dem dyttes rullende og skliende bortover overflaten. Så, med litt mer vind, begynner det å bli interessant.

Noen av kornene får luft inn under seg, og løftes opp fra underlaget. De hopper, eller «salterer» på fagspråket. Sandforskere kaller dem saltoner. De første hoppende saltonene blir ikke lenge i luften, men faller ned igjen på sanden.

Idet de faller dunker de imidlertid løs andre sandkorn, som så i tur blir nye saltoner — og så videre. Etter en stund har en liten storm bygget seg opp, bestående av tre deler: Sandkorn som kryper rullende langs bakken, de høythoppende saltonene, og dessuten en tredje, viktig del: Sandkorn som flyter bortover langs bakken slik en puck flyter over et lufthockey-bord.

Vi har fått en såkalt suspensjon av sand rett over bakken, der vind og sand blander seg og flyter glatt bortover. Størsteparten av sanden som flyttes av en sandstorm kommer fra suspensjonslaget. Den mørke, høye veggen vi ser, og som er den sanden som sandblåser alt som kommer i stormens vei, er bare de høyest hoppende saltonene — en ganske liten del av hele stormen.

Nøkkelen til stormen Fortsatt er det imidlertid noen åpenbare spørsmål her. Hvordan kommer så mange sandkorn seg opp i luften, hvordan kommer de så høyt, og hvordan blir intensiteten høyere opp i stormen så enorm?

Det første spørsmålet, om hvordan så mange korn blir saltoner, ble delvis besvart av forskere fra Michigan, USA, i en artikkel i 2008. De fant — kanskje ikke overraskende — at når sandkornene gnir mot hverandre så får de statisk elektrisk ladning, som når du gnir en ballong mot håret.

Denne statiske elektrisiteten bidrar til å dytte kornene fra hverandre, og får både flere korn til å løfte seg og hjelper dem med å danne den viktige suspensjonen langs bakken.

Den virkelige overraskelsen kom imidlertid helt nylig, i en artikkel i Physical Review Letters 2. august 2013. Der har forskerne klart det kunststykket å datasimulere bevegelsen til hvert enkelt korn i en sandstorm. Riktignok en sandstorm bestående av bare 4000 biter sand, men dette er mange nok til at de fikk frem og kunne studere alle de viktige elementene i en storm — rullere, hoppende saltoner og suspensjonen.

SIMULERER SAND: Datasimulering av sandkorn som kræsjer ned i en suspensjon av andre korn. Ill: M. V. Carneiro et al., Phys. Rev. Lett. (2013)
SIMULERER SAND: Datasimulering av sandkorn som kræsjer ned i en suspensjon av andre korn. Ill: M. V. Carneiro et al., Phys. Rev. Lett. (2013) Vis mer

Å simulere så mange partikler på en gang er i det hele tatt veldig imponerende, selv med dagens vanvittige tilgjengelige datakraft. Det forskerne fant fikk dem først til å tro at de hadde gjort noe feil. Intensiteten til den simulerte stormen deres ble størst når de lot sandkornene kollidere med hverandre i luften, snarere enn å bare gli lett forbi hverandre.

Intuitivt skulle en tro at stormen ville bremse seg selv på denne måten og gå saktere, men forskerne fant at med bremsingen på så kunne stormstyrken øke opp til det tredobbelte.

Hvorfor det?

Grunnen viser seg å være at prosessen der sandkorn hopper og lander er hakket mer komplisert enn man hadde trodd. Når et salton, som har fløyet høyt over bakken, styrter ned så treffer det susepensjonen av flygende partikler. Kræsjet er omtrent som når du kaster en sten hardt i vannet.

VENTER: Kameler gjør det kameler gjør under en sandstorm i Saudi-Arabia. Foto: AFP PHOTO/FAYEZ NURELDINE/NTB SCANIPX
VENTER: Kameler gjør det kameler gjør under en sandstorm i Saudi-Arabia. Foto: AFP PHOTO/FAYEZ NURELDINE/NTB SCANIPX Vis mer

Det vil fly dråper, eller i dette tilfellet sandkorn, i mange retninger — men de færreste av dem vil fly høyt opp og bli nye saltoner selv. Skrur du imidlertid på muligheten for at disse kan kollidere med hverandre, så er sjansen større for at to treffes i luften og at et av disse smelles høyt opp. Først da er et nytt salton født.

Også oppe i luften blant saltonene har kollisjonene noe å si, da de bidrar til å gi stormen en felles, ødeleggende, sandblåsende retning. Uten kollisjoner virret sandkornene mer rundt i alle retninger, noen som gjorde stormen mindre intens.

En sandstorm er altså, i tillegg til vind, avhengig av noen av naturens helt grunnleggende fenomen. De 50 000 krigerne til kong Kambyses II ble, hvis de faktisk eksisterte, ofre for statisk elektrisitet, friksjon og bittesmå kollisjoner høyt oppe i luften.

Nytten av å forstå en storm Om den ferske modellen faktisk er riktig er et annet spørsmål. Den ser lovende og fysisk fornuftig ut, men for å teste den burde man egentlig kunnet gjøre det samme med virkelige stormer — altså skru kollisjonene mellom sandkorn av og på.

Dette vet ingen hvordan man skulle gjort per i dag. Enn så lenge kan vi ikke si at sandstormer er fullstendig forstått. Som for de fleste av naturens mektige fenomen er det fortsatt mange mysterier igjen å jobbe med. Å komme videre i forståelsen av dannelsen og utbredelsen av sandstormer er både nyttig og viktig.

BESKYTTELSE: Sandstormer kan åpenbart være svært ubehagelige. Her har en kinesisk kvinne dekket til ansiktet under en sandstorm som traff Beijing i 2010. Foto: Reuters/NTB Scanpix
BESKYTTELSE: Sandstormer kan åpenbart være svært ubehagelige. Her har en kinesisk kvinne dekket til ansiktet under en sandstorm som traff Beijing i 2010. Foto: Reuters/NTB Scanpix Vis mer

Sandstormer er kilden til mye av det støvet som hvert år virvler opp i atmosfæren og er med på både å skygge litt for solen, og å danne skyer. Støv- og sandstormer utgjør store problemer i tørre områder, og når steder som for eksempel sentrale USA nå opplever år etter år med ekstrem tørke vil mengden slike stormer bare øke.

Men hvor mye vil de øke — og øker de i antall eller bare styrke?

Å svare på slike spørsmål vil gjøre det lettere å planlegge samfunn og infrastruktur i og rundt jordens mange tørre områder. Uheldigvis kommer denne forståelsen likevel noen tusen år for sent for kong Kambyses II.

Referanser: • Den ferske artikkelen om kollisjoner, friksjon og stormer • Artikkel fra 2008 om statisk elektrisitet i sandstormer

SØK DEKNING: En vegg av sand feier over landskapet i det nordvestlige Kina. Foto: AFP/NTB Scanpix
SØK DEKNING: En vegg av sand feier over landskapet i det nordvestlige Kina. Foto: AFP/NTB Scanpix Vis mer
DÅRLIGE FORHOLD: En politimann dirigerer trafikken under en ørkenstorm i Iraks hovedstad Bagdad. Foto: REUTERS/Thaier al-Sudani/NTB Scanpix
DÅRLIGE FORHOLD: En politimann dirigerer trafikken under en ørkenstorm i Iraks hovedstad Bagdad. Foto: REUTERS/Thaier al-Sudani/NTB Scanpix Vis mer