Wind und Elektrizität: Wie sich Sanddünen und Aerosole bilden

Mehrere Meter können Sanddünen in einem Jahr wandern. Der wichtigste Antrieb für die Bewegung der Sandkörner ist der Wind. Doch auch elektrische Ladungen spielen bei diesem Materialtransport eine große Rolle.

Ann Arbor (USA) - Auf der Grundlage dieser Hypothese veröffentlichen amerikanische Forscher von der University of Michigan in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" erstmals ein schlüssiges Modell für dieses Phänomen, das in der Fachsprache Saltation genannt wird.

"Frühere Messungen haben gezeigt, dass bei moderaten Winden bei der Saltation elektrische Felder von bis zu 160 Kilovolt pro Meter aufgebaut werden können", schreiben Jasper F. Kok und Nilton O. Remo von der University of Michigan in Ann Arbor. Trotz dieser Kenntnisse sind die elektrostatischen Aufladungen zwischen den Sandkörnern bisher nicht in die Transportmodelle eingeflossen. Messungen vom Wind getragener Sandpartikel lassen sich daher nicht immer schlüssig mit diesen Theorien nachvollziehen.

Kok und Remo untersuchten nun, wie elektrische Felder das Anheben der Sandkörner durch Winde unterstützen. Experimente in Windtunneln legten bereits nahe, dass durch die Reibung der Körner gegeneinander diese Partikel negativ aufgeladen werden können. Dagegen treten am Boden positive Ladungen auf. Mit numerischen Saltationsmodellen verknüpften die Forscher nun beide Effekte: den Vortrieb durch den Wind und die elektrischen Kräfte zwischen Sandkorn und Erdboden.

Ihre Ergebnisse zeigen, dass ohne den Einfluss elektrostatischer Abstoßungskräfte bei Scherwinden mit einer Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde etwa 70 Gramm pro Quadratmeter von einer Oberfläche transportiert werden können. Werden dagegen die elektrischen Kräfte mit berücksichtigt, kann dieser Wert bei gleicher Windstärke auf bis zu 200 Gramm pro Quadratmeter ansteigen.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass die elektrische Aufladung von Sand eine wichtige Rolle bei der Saltation spielen", so die beiden Wissenschaftler. Damit können sie nun nicht nur die vorhandenen Messungen beispielsweise bei der Bildung von Sanddünen mit Sandkorndurchmessern zwischen 60 und 1000 Mikrometern besser erklären. Das neue Modell hat auch Auswirkungen auf die Erosion und Klimasimulationen. Denn bei den Stößen der Partikel entstehen auch feinere Sandkörner, die kleiner sind als 60 Mikrometer. Diese können bis in höhere Atmosphärenschichten gelangen. Diese Aerosole wirken als Streuzentren für Sonnenstrahlen und als Kondensationskeime für Wassertröpfchen.