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Singing Dunes: le dune cantano anche su Marte?

I viaggiatori nel deserto spesso si sono imbattuti in uno strano fenomeno: quello delle singing dunes, le dune cantanti, suoni incredibili che si sollevano dai grani di sabbia che compongono molti dei deserti del nostro pianeta. Ma si potrebbe verificare un fenomeno simile anche nei deserti marziani?

Gli spiriti del deserto possono fare cose incredibili. Talvolta anche di giorno si sentono nell’aria le loro voci. E sembra di udire strepiti d’armi e rulli di tamburi e il suono di strumenti musicali.” così Marco Polo ne Il Milione descriveva i suoni che aveva sentito nel deserto del Gobi, in Cina.

Anche Charles Darwin, nel corso dei suoi viaggi in Sudamerica descritti nel Viaggio di un Naturalista Intorno al Mondo, riferì di un fenomeno simile nei pressi della cittadina cilena di Copiapó, nell’Atacama: Mentre mi trovava in città sentii parlare da parecchi abitanti, di una collina del contorno detta El Bramador – la muggente o ruggente. […] La collina era coperta di sabbia, ed il rumore si produceva soltanto quando le persone salendovi sopra mettevano in movimento la sabbia. Un cavallo che cammina sopra sabbia asciutta e grossa, produce un rumore scricchiolante particolare per lo sfregamento delle particelle; fatto che notai parecchie volte sulla costa del Brasile.

In un buon numero di deserti in giro per il mondo in effetti si può udire un fenomeno alquanto bizzarro che prende il nome di singing dunes, le dune cantanti: un suono armonioso a bassa frequenza, principalmente tra i 70 e 105 Hz, un suono che ricorda quello di un calabrone e che può durare per vari minuti. A volte il suono delle singing dunes può essere ascoltato anche a 10 km di distanza dalla duna che lo genera.

Con quello “sfregamento delle particelle” Darwin aveva cercato di dare una seppur sbrigativa spiegazione per lo strano fenomeno, ma solo in epoca recente si è esplorata la natura fisica delle singing dunes.

La complessità della sabbia

La complessità del fenomeno è legata innanzitutto alla complessità del mezzo in cui si origina: la sabbia. La sabbia si può intendere come un fluido granulare, ossia come un insieme di grani solidi che si comportano un po’ come un liquido molto viscoso. D’altra parte i grandi accumuli di sabbia, le dune, sono rigidi come i solidi e i loro grani superficiali possono viaggiare in lungo e in largo trasportati dal vento.

La sabbia è il residuo dell’erosione di altre rocce più compatte e i suoi grani arrivano a essere grandi anche poche frazioni di millimetro. Si trova in genere nelle spiagge, generate dall’erosione legata al moto ondoso dei mari, oppure sotto forma di dune, quando la forza dominante è il vento. Il vento trasporta i grani di sabbia portandoli a depositarsi in mucchi dalle più disparate forme e strutture. A causa della gravità, i grani cadono lungo i versanti della duna quando la pendenza è elevata. Si arriva a un regime di equilibrio quando la pendenza è di circa 35°. Il vento erode il retro delle dune e accumula sabbia sulla cima della faccia controvento. Quando la pendenza è eccessiva, una frana spontanea fa crollare tale materiale accumulato.

Si possono formare diversi tipi di dune a causa dei diversi tipi di interazione tra il flusso di vento e il letto di sabbia. Le più comuni sono le barcane, le classiche dune a mezzaluna, ma esistono anche dune lineari, paraboliche e a stella.

Lo schema di una barcana. La faccia sottovento è più allungata, con i grani che vengono trasportati in cima alla duna, la faccia controvento è invece più ripida (circa 35° a regime) e soggetta a continue frane. Credits: CC BY-SA 3.0

Le singing dunes si possono ascoltare soprattutto nei pressi delle dune a stella, ma anche le altre tipologie di duna possono dare luogo allo stesso fenomeno. Ad ogni modo, non tutte le sabbie producono suoni: le dune che cantano sono composte da sabbia asciutta, priva di polvere e di umidità, con i grani arrotondati e di dimensioni piuttosto simili tra di loro.

La fisica delle Singing Dunes

Recentemente sono stati condotti numerosi studi sulla questione. Uno di questi ha rilevato per esempio che in assenza di umidità tutte le barcane del Sahara atlantico producano il suono. Tre mega-barcane sono in grado di emettere il suono 350 giorni l’anno perché sono sempre secche sulla superficie. La maggior parte delle altre dune più piccole possono emettere suoni solo poche decine di minuti all’anno, quando il Sole del deserto le priva completamente della loro umidità. L’elemento chiave sembra essere la dimensione dei grani: a prescindere dalla dimensione della duna, se la dimensione di grani è fissata, è fissata anche la frequenza del suono. Per esempio, alcuni esperimenti di laboratorio hanno rilevato che una frequenza sonora di 100 Hz si può ottenere se la duna è costituita da grani di 0,18 millimetri di diametro.

Nel corso degli anni sono stati proposti diversi meccanismi fisici con cui il fenomeno delle singing dunes si può formare. Sembra che le dune cantino quando vengono colpite dal vento ma che non sia direttamente questo a innescare il canto, quanto piuttosto il moto dei grani di sabbia durante la frana sul lato controvento della duna.

Se i grani hanno tutti dimensioni simili, si muovono in maniera simile sul versante della duna, urtando ripetutamente contro i grani sottostanti con una stessa frequenza. Come conseguenza la superficie della duna vibra come la membrana di un altoparlante e imprime una vibrazione nel flusso di sabbia franante. I due meccanismi, gli urti tra i grani e la vibrazione della superficie, si rinforzano a vicenda portando i grani stessi a muoversi in sincrono. A causa di questo moto sincronizzato, la frana emette un suono armonico, il canto della duna. Siccome la frequenza della vibrazione, e quindi del suono, dipende dalla dimensione dei grani, a data dimensione corrisponde una determinata frequenza sonora.

E sul Pianeta Rosso?

Ma ora torniamo alla domanda iniziale: questo tipo di fenomeno potrebbe verificarsi anche su Marte? Piccola premessa: non ci sono studi sulle singing dunes che riguardino l’ambiente marziano e nessuno strumento su lander o rover è mai stato pensato per rilevarne il suono, quindi ciò che segue è solo una speculazione, un punto interessante su cui ragionare ma nulla di più.

Abbiamo detto che le condizioni necessarie sono essenzialmente l’estrema aridità e la presenza di dune costituite da grani di dimensioni simili. Tuttavia la questione è sicuramente più complessa: stiamo parlando di due pianeti diversi e ci sono altri aspetti che dobbiamo tenere in considerazione.

Su Marte l’aridità non è certo un requisito mancante e le dune sono piuttosto diffuse, soprattutto nelle regioni con altitudine inferiore e nella regione polare nord di Planum Boreum, dove si trovano grandi campi di dune. Tuttavia ci sono alcuni problemi: l’atmosfera marziana è oggi molto più tenue di quella terrestre, i venti sono di conseguenza più deboli e il trasporto di sabbia molto più lento. Per fare un esempio, le dune sulla Terra possono migrare anche di 30 metri all’anno a causa dell’azione eolica, su Marte sono state osservate alcune dune muoversi di neanche un metro ogni anno. Le dune quindi ci sono, ma non sono tanto attive quanto lo sono sulla Terra: in alcuni casi le dune sono ricoperte di polvere e non sembrano subire variazioni nel corso dell’anno. Per queste ragioni, il primo dubbio è: possiamo aspettarci, nell’ambiente marziano, l’avvento di frane sufficientemente vigorose da innescare il meccanismo fisico delle singing dunes?

Planum Boreum dalle immagini delle missioni Viking. Credits: Nasa

Ma c’è anche un altro problema. La minore densità atmosferica ha delle forti influenze anche sull’acustica marziana. In una condizione simile, il suono si propaga, ma viene attenuato molto prima rispetto a ciò che avviene sulla Terra. Il suono si propaga infatti grazie allo spostamento di materia, sia essa aria o acqua, ma su Marte c’è appunto poca aria da spostare e quindi un’onda sonora si propaga molto meno. Un esperimento di laboratorio ha dimostrato che un suono che sulla Terra si propagherebbe per chilometri, su Marte non riuscirebbe ad allontanarsi oltre poche decine di metri. Quindi c’è il rischio concreto che, se anche le dune marziane cantassero, nessuno potrebbe sentirle.

Fonti:
Kishore Dutta (2015), Singing Sand Dunes: The Spontaneous Acoustic Emission from Granular Shear FlowOpen Access Library Journal,02,1-7.
B. Andreotti (2004), The Song of Dunes as a Wave-Particle Mode Locking, Phys. Rev. Lett. 93, 238001.
Chojnaki et al. (2019), Boundary condition controls on the high-sand-flux regions of Mars. Geology (2019) 47 (5): 427–430.
Science, On Mars, No One Can Hear You Scream, giugno 2006

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