Wüsten mögen leblos und träge erscheinen, aber sie sind sehr lebendig. Vor allem Sanddünen wachsen und bewegen sich – und laut eines jahrzehntelangen Forschungsprojekts atmen sie auch feuchte Luft.
Die Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, wie Wasserdampf in Pulver und Körner eindringt, und könnten weitreichende Anwendungen weit über die Wüste hinaus haben – in der pharmazeutischen Forschung, der Landwirtschaft und der Lebensmittelverarbeitung sowie bei der Erforschung von Planeten.
Die Arbeit des Teams wurde im Journal of Geophysical Research-Earth Surface veröffentlicht.
Um Materie mit größerer Empfindlichkeit zu messen, entwickelte der Hauptautor Michel Louge, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Cornell University, eine neue Form von Instrumenten, die so genannten Kapazitätssonden, die mit mehreren Sensoren alles von der Feststoffkonzentration über die Geschwindigkeit bis hin zum Wassergehalt aufzeichnen, und zwar mit einer noch nie dagewesenen räumlichen Auflösung.
Anfang der 2000er Jahre begann Louge, mit Ahmed Ould el-Moctar von der Universität Nantes (Frankreich) zusammenzuarbeiten, um mit Hilfe der Sonden den Feuchtigkeitsgehalt von Sanddünen zu untersuchen und so den Prozess besser zu verstehen, durch den sich landwirtschaftlich genutztes Land in Wüste verwandelt – ein Interesse, das mit der Zunahme des globalen Klimawandels nur noch dringlicher geworden ist.
Die Sonde zeigte schließlich, wie porös der Sand ist und dass eine winzige Menge Luft durch ihn hindurchsickert. Frühere Forschungen hatten diese Art des Durchsickerns in Sanddünen bereits angedeutet, aber bis jetzt konnte es niemand nachweisen.
„Der Wind strömt über die Düne und erzeugt dadurch ein lokales Druckungleichgewicht, das die Luft buchstäblich dazu zwingt, in den Sand hinein und aus dem Sand heraus zu strömen. Der Sand atmet also, wie ein Organismus atmet“, so Louge.
Dieses „Atmen“ ermöglicht es den Mikroben, trotz der hohen Temperaturen tief im Inneren der hyper-trockenen Sanddünen zu überleben. In den letzten zehn Jahren hat Louge zusammen mit Anthony Hay, außerordentlicher Professor für Mikrobiologie an der Cornell University, untersucht, wie Mikroben dazu beitragen können, die Dünen zu stabilisieren und zu verhindern, dass sie in Straßen und Infrastrukturen eindringen.
Louge und sein Team stellten außerdem fest, dass Wüstenoberflächen weniger Feuchtigkeit mit der Atmosphäre austauschen als erwartet, und dass sich die Wasserverdunstung aus einzelnen Sandkörnern wie eine langsame chemische Reaktion verhält.
Der Großteil ihrer Daten wurde 2011 gesammelt, aber Louge und seine Mitarbeiter brauchten noch ein weiteres Jahrzehnt, um einige der Ergebnisse zu verwerten, z. B. die Identifizierung von Störungen an der Oberfläche, die dazu führen, dass sich evaneszente oder nichtlineare Feuchtigkeitswellen sehr schnell durch die Dünen nach unten ausbreiten.
Die Forscher gehen davon aus, dass ihre Sonde eine Reihe von Anwendungen finden wird – von der Untersuchung der Art und Weise, wie Böden in der Landwirtschaft Wasser aufnehmen oder ableiten, über die Kalibrierung von Satellitenbeobachtungen über Wüsten bis hin zur Erkundung außerirdischer Umgebungen, die möglicherweise Spuren von Wasser enthalten. Es wäre nicht das erste Mal, dass Louges Forschung ihren Weg ins All findet.
Aber die vielleicht unmittelbarste Anwendung ist der Nachweis von Feuchtigkeitsverunreinigungen in Arzneimitteln. Seit 2018 arbeitet Louge mit Merck zusammen, um die Sonden in der kontinuierlichen Fertigung einzusetzen, die als schnelleres, effizienteres und kostengünstigeres System gilt als die Chargenfertigung.
Die Forschung wurde von der Qatar Foundation unterstützt.
Datum: März 30, 2022
Quelle: Cornell Universität
Journal Reference:
- M. Y. Louge, A. Valance, J. Xu, A. Ould el‐Moctar, P. Chasle. Water vapor transport across an arid sand surface ‐ non‐linear thermal coupling, wind‐driven pore advection, subsurface waves, and exchange with the atmospheric boundary layer. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 2022; DOI: 10.1029/2021JF006490