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Lexikon der Geographie: Barchan

Barchan, turkmenisches Wort für Sicheldüne, ist als Einzeldüne die einzige echte Wanderdüne, deren gesamte Sandmasse sich mit der Windrichtung verlagert. Ein Barchan kann aus einem Sandfleck oder Sandschild durch Sandabblasung (Deflation) auf der Windseite (Luv) und Ablagerung im Windschatten (Lee) entstehen. ( Abb. 1) Dabei werden die Sandkörner im Luv durch Saltation hangaufwärts transportiert, wobei der Luvhang mit etwa 10-15° Neigung entsteht. Sobald der Leehang steiler wird als der Grenzneigungswinkel für lockeren Feinsand (30-35°), kommt es hier zu Rutschungen, wodurch sich ein scharfer Dünenkamm quer zur Windrichtung (=Transportrichtung) ausbildet: der Barchan ist die einfachste Querdüne. Durch die Sandrutschungen entsteht eine charakteristische leehangparallele Schichtung der Dünen, weil sich kleinere Körner in einer unteren und größere Körner in einer oberen Lage anordnen. Da die Verlagerung der Sandmasse an den flachen Rändern des Sandschildes schneller geht als in der Mitte, bleibt dieser Teil etwas zurück und randlich bilden sich in Bewegungsrichtung voraus eilende Barchanhörner. So entsteht die im Luv konvexe Sichel- oder Halbmondform. Die Symmetrieachse des Barchans gibt die Transportrichtung und damit den dominanten Wind an. Für den Transportmechanismus sind einheitliche Windrichtung und fester, vegetationsloser Untergrund Voraussetzung. Das unimodale Windsystem ist jedoch selten gegeben; bis zu 20° Richtungsabweichung stören die Strömungsdynamik nicht. Zu dieser Dynamik gehören auch Leewirbel, die um die Hörner herum greifen und am Leehang aufwärts gerichtet sind. Sie halten den Untergrund sandfrei und unterstützen damit die Dünenwanderung.
Barchane wandern besonders mit starken Passaten (z.B. in Ägypten, Sudan, Tschad) oder mit kräftigen Seewinden (z.B. in Namibia, Peru). In Peru werden Höhen von 30-80 m erreicht; meistens bleiben die Höhen jedoch unter 30 m. Da die gesamte Sandmasse umgewälzt werden muss, ist die Wanderungsgeschwindigkeit – bei vergleichbarer Windstärke – umgekehrt proportional zur Barchanhöhe ( Abb. 2). Daher können kleinere Barchane größere Exemplare einholen und bei festen Luvhängen hinauf wandern ( Abb. 3). So entstehen sehr komplexe Formen mit mehreren Leehängen und häufig unterschiedlichen Sandkorngrößen. Kleinere Barchane sind z. B. häufig jünger und weisen eine unimodale Korngrößenhäufigkeitsverteilung auf. Mit zunehmender Wanderzeit, Wanderstrecke und/oder Windstärke verarmen Barchane an Feinsand, der bei Umwälzung ständig ausgeblasen wird, weil er nicht durch größere Körner geschützt werden kann wie auf stationären Dünen. Barchane sind daher die einzigen Dünen, die ihre Korngrößenhäufigkeitsverteilung ständig verändern. Sehr "alte" Barchane bestehen aus sehr groben Sanden oder besitzen bimodale Korngrößenhäufigkeitsverteilungen. Natürlich spielen auch die Korngrößen der Sandquellen eine Rolle. Gerät der Barchan auf Lockersand, so ebnet er sich selbst ein, weil die Leewirbel Vertiefungen schaffen, in die dann die Leehangrutschungen schütten. Letzte Reste ehemaliger Barchane sind hufeisenförmige Mulden oder Kessel, die besonders in Arabien zahlreich sind.
Mit dieser Dynamik erfüllt der Barchan alle Kriterien von Solitonen in der Physik, also stationären Wellen in nicht linearen dispersiven Systemen, die bei Fortpflanzung nicht auseinander laufen, sondern ihre Gestalt beibehalten, und die als dynamisch und strukturell stabile Energiepakete betrachtet werden können, wie im Folgenden gezeigt wird. Erstens: Solitone entstehen im Grenzbereich zwischen zu viel Energie (Turbulenz) und zu wenig Energie (Auflösung) als spontane Selbstorganisation durch nicht lineare Wechselwirkung (mit dem Boden). Genauso entstehen Barchane aus dem Sandfleck im energetischen Grenzbereich: bei zu viel kinetischer Energie (Windstärke) kommt es zur Verblasung und Zerstreuung des Sandes, bei zu wenig Energie werden nur die kleineren Körner ausgeblasen, es kommt zur Entmischung und zur Bildung eines Deflationspflasters, wodurch der Sandfleck stabilisiert wird. Bei kritischen Energiewerten kommt es zu nicht linearen Wechselwirkungen, und die typische Sichelform entsteht durch Selbstorganisation. Wichtig scheinen die Einengung des Windfeldes am Luvhang (30 cm scheint eine kritische Höhe zu sein) und die Leewirbel am Boden zu sein. Zweitens: Solitonen wandern mit konstanter Geschwindigkeit und Formkonstanz ohne Dispersion (wichtigstes Kriterium). Barchane wandern mit Formkonstanz ohne Dispersion, sofern der Wind stets aus derselben Richtung kommt. Richtungsabweichungen des Windes bis 20° werden verkraftet, modifizieren jedoch die Sichelform, z.B. durch Verlängerung nur eines Barchanhornes. Sogar kürzere Perioden um 180° gedrehter Winde werden überstanden. Feste topographische Hindernisse wie Gesteinsausbisse oder Hügel werden ohne Störungen überwandert. Die Sichelform scheint extrem stabil zu sein. Drittens: Höhe und Geschwindigkeit eines wandernden Solitons sind miteinander gekoppelt, weshalb eine hohe schmale Welle eine niedrige breite einholen, durchdringen und überholen kann. Dies gilt auch für den Barchan. Der gesamte Überholvorgang wurde noch nie beobachtet, weil er sehr lange dauert. Indizien liegen aus Luftbildern und Korngrößenanalysen vor.
Interessant bei Barchanen sind die zu flüssigen Solitonen reziproken Verhältnisse beim Energie-Kriterium (Wellenauflösung bei zu wenig Energie, Sandfleckauflösung bei zu viel Energie) und bei der Höhen-Geschwindigkeitskorrelation. Der mathematische Beweis für den Barchan als Soliton, also die Beschreibung durch nicht lineare partielle Differenzialgleichungen, ist sehr schwierig (da nur wenige quantitative Beobachtungen und Messungen vorliegen) und steht noch aus; Simulationen sind jedoch gelungen.

HBe


Barchane l: Barchane l: Barchanentstehung aus einem Sandfleck (stark vereinfacht).

Barchane 2: Barchane 2: Abhängigkeit der Wandergeschwindigkeit v von der Höhe h nach Messungen in Ägypten.

Barchane 3: Barchane 3: Ein kleiner Barchan (rechts) reitet auf einem großen flachen an der Küste Namibias.

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