Пустыни могут казаться безжизненными и инертными, но они очень живые. Песчаные дюны, в частности, растут и движутся — и, согласно многолетнему исследовательскому проекту, они также дышат влажным воздухом.

Полученные данные впервые показывают, как водяной пар проникает в порошки и зерна, и могут найти широкое применение далеко за пределами пустыни — в фармацевтических исследованиях , сельском хозяйстве и пищевой промышленности, а также в исследовании планет.

Статья группы «Перенос водяного пара через засушливую песчаную поверхность — нелинейная тепловая связь, поровая адвекция, вызванная ветром, подповерхностные волны и обмен с атмосферным пограничным слоем», опубликованная 21 марта в Журнале геофизических исследований: поверхность Земли.

Проект, возглавляемый ведущим автором Мишелем Лужем, профессором машиностроения и аэрокосмической инженерии в Инженерном колледже, охватывал не только много времени, но и различные местности. Это началось почти 40 лет назад, когда Луж изучал поведение жидкостей, газов и твердых частиц.

Желая измерять материю с большей чувствительностью, он и его ученики разработали новую форму приборов, называемых емкостными зондами, которые используют несколько датчиков для регистрации всего, от концентрации твердого вещества до скорости и содержания воды , и все это с беспрецедентным пространственным разрешением.

Когда коллега из Университета штата Юта предположил, что эта технология может быть полезна для визуализации слоев горных снежных покровов и оценки вероятности схода лавин, Луж пошел в свой гараж, взял несколько датчиков и проверил их в метель. Вскоре он заключил партнерство с компанией Capacitec Inc, чтобы объединить их навыки в геометрии и электронике. Полученные зонды также оказались полезными в гидрологических исследованиях.

В начале 2000-х Луж начал сотрудничать с Ахмедом Ульд эль-Моктаром из Университета Нанта, Франция, чтобы использовать зонды для изучения содержания влаги в песчаных дюнах, чтобы лучше понять процесс, посредством которого сельскохозяйственные угодья превращаются в пустыни. становятся все более актуальными с усилением глобального изменения климата.

«Будущее Земли, если мы будем продолжать в том же духе, — это пустыня», — сказал Луж.

В то время как другие зонды могут измерять большие объемы вещества, зонды Louge работают глубоко и мелко, собирая данные в миллиметровом масштабе, чтобы определить точное количество влаги в песке и его плотность. Однако для работы в новой среде зонды необходимо было модифицировать. Так начался десятилетний процесс проб и ошибок, когда Луж периодически совершал поездки в пустыни Катара и Мавритании, экспериментируя с различными версиями зонда.

Зонд в конце концов показал, насколько пористым является песок, через который просачивается небольшое количество воздуха. Предыдущие исследования намекали на то, что этот тип просачивания существует в песчаных дюнах, но никто не мог доказать это до сих пор.

«Ветер обдувает дюну и в результате создает дисбаланс местного давления, который буквально заставляет воздух уходить в песок и из песка. Так что песок дышит, как дышит организм», — сказал Луж.

Это «дыхание» позволяет микробам сохраняться глубоко внутри сверхзасушливых песчаных дюн , несмотря на высокую температуру. На протяжении большей части последнего десятилетия Луж сотрудничал с Энтони Хэем, адъюнкт-профессором микробиологии в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни, чтобы изучить, как микробы могут помочь стабилизировать дюны и предотвратить их проникновение на дороги и инфраструктуру.

Луж и его команда также определили, что поверхности пустыни обмениваются с атмосферой меньшим количеством влаги, чем ожидалось, и что испарение воды из отдельных песчинок ведет себя как медленная химическая реакция.

Основная часть их данных была собрана в 2011 году, но Лугу и его сотрудникам потребовалось еще десять лет, чтобы понять некоторые из результатов, таких как выявление возмущений на уровне поверхности, которые заставляют мимолетные или нелинейные волны влажности распространяться вниз. через дюны очень быстро.

«Мы могли бы опубликовать данные 10 лет назад, чтобы сообщить о точности нашего подхода», — сказал Луж. «Но это не было удовлетворительным, пока мы не поняли, что происходит. Никто действительно не делал ничего подобного раньше. Это первый раз, когда можно было измерить такой низкий уровень влажности».

Исследователи ожидают, что их зонд будет иметь ряд применений — от изучения того, как почва впитывает или отводит воду в сельском хозяйстве, до калибровки спутниковых наблюдений над пустынями и изучения внеземных сред, которые могут содержать следы воды. Это будет не первый раз, когда исследования Лужа отправляются в космос.

Но, возможно, наиболее непосредственным применением является обнаружение загрязнения влагой в фармацевтических препаратах. С 2018 года Louge сотрудничает с Merck для использования датчиков в непрерывном производстве, которое считается более быстрой, эффективной и менее дорогой системой, чем серийное производство.

«Если вы хотите организовать непрерывное производство, у вас должны быть датчики, которые позволят вам в зависимости от времени и везде, где это важно, проверить правильность поведения вашего процесса», — сказал Луж.