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Singender Sand

Obwohl man schon viel über die Entstehungsbedingungen des kuriosen Phänomens herausgefunden hat, sind die zugrundeliegenden Mechanismen noch immer nicht völlig geklärt.


Seit Jahrtausenden vernehmen Nomaden bei ihren Wanderungen durch die Wüste manchmal geheimnisvolle Töne, von denen sie früher glaubten, sie stammten von Dämonen oder anderen übersinnlichen Wesen. Marco Polo (1254 bis 1324) berichtete von bösen Geistern, welche "die Luft zuweilen mit allerlei Lauten von Musikinstrumenten erfüllen, selbst mit Trommelklang und Waffengeklirr". Heute verfügen wir über eine nüchterne Erklärung des Phänomens: Die Töne entstehen durch die Bewegung von Sand.

Mindestens 30 dröhnende Dünen sind in Wüsten und an Stränden in Afrika, Asien, Nordamerika und andernorts entdeckt worden (Bild 2). Ihr Getöse wurde mit Glocken-, Trompeten-, Dudelsack- und Nebelhornklängen verglichen. In manchen Beschreibungen ist auch von Stöhnen, Surren oder dem Summen von Telegraphenleitungen, ja zuweilen sogar von Kanonenschlägen, Donner oder dem Lärm tieffliegender Propellerflugzeuge die Rede. Bis heute existiert keine allgemein anerkannte wissenschaftliche Theorie darüber, warum Sand unter bestimmten Bedingungen solche Geräusche von sich gibt.

Liegt es an der Größe oder Form einzelner Sandkörner, oder kommt es auf die besondere Art ihrer Wechselwirkung an? All dies spielt – neben weiteren Faktoren – sicherlich eine Rolle. Bislang wurden nur wenige systematische Untersuchungen durchgeführt, und keine ist zu einer eindeutigen Erklärung gelangt. Auch wir behaupten nicht, die genaue Ursache zu kennen, möchten jedoch einige Fragen aufwerfen, deren Beantwortung Hinweise auf den Mechanismus geben könnte.





Quietschen und Dröhnen


Die vom Sand erzeugten Töne sind nicht immer spektakulär. So entstehen beim Laufen über viele Strände an Küsten, Seen und Flußbetten auf der ganzen Welt quietschende Geräusche. Dröhnender Sand ist dagegen sehr viel seltener und geheimnisvoller. Außer Marco Polo setzte er auch Charles Darwin in Erstaunen. Man findet ihn fast ausschließlich in großen, oft isoliert gelegenen Dünen tief im Innern von Wüsten oder an trockenen Stränden im Hinterland, weitab von Gewässern.

Das Geräusch dieses Sandes wird häufig mit dem Klang von Musikinstrumenten verglichen. Bisweilen treten die Laute in gleichmäßigen Abständen auf und hören sich an wie Trommel- oder Tamburinschläge. In anderen Fällen erinnern sie an Trompetenstöße oder Glockentöne, manchmal klingen sie auch wie eine angestrichene Kontrabaßsaite.

Solche relativ klaren Töne treten gewöhnlich nur dann auf, wenn sich geringe Mengen Sand unter dem Einfluß einer äußeren Kraft in Bewegung setzen und dabei Schwingungen in einem engen Frequenzbereich erzeugen. So stellten wir 1994 fest, daß kleine, künstlich erzeugte Lawinen am Sand Mountain in Nevada tiefe brummende Töne hervorriefen, die denen eines Didgeridoo ähnelten, des traditionellen Instruments der australischen Ureinwohner (im wesentlichen ein langes Holzrohr).

Generell sollte man quietschenden und dröhnenden Sand auseinanderhalten. Ersterer erzeugt kurze hohe Töne mit einer Frequenz zwischen 500 und 2500 Hertz, die weniger als eine Viertelsekunde andauern (Bild 2c,d). Sie sind musikalisch weitgehend rein und enthalten oft vier oder fünf Oberschwingungen (Harmonische) eines Grundtons. Dröhnender Sand dagegen produziert tiefe Geräusche im Frequenzbereich zwischen 50 und 300 Hertz, die gewöhnlich wenige Sekunden, bei großen Dünen aber auch bis zu 15 Minuten währen (Bild 2a,b). Sie sind ziemlich laut und enthalten eine Vielzahl von benachbarten Frequenzen; nie wurde mehr als ein Oberton festgestellt.

Aus diesen Abweichungen zog man den weithin akzeptierten Schluß, daß beide Erscheinungen auf unterschiedlichen Mechanismen beruhen. Eine grundlegende Gemeinsamkeit aller tönenden Sande ist indes die Bewegung einzelner Körner. Wenn man etwa auf Sand läuft, wird dieser unter der Fußsohle nach unten und zur Seite gedrückt, was mit einem Quietschen einhergeht. Bei dröhnendem Sand dagegen rutscht Material großflächig ab. Hier muß sich die Tonquelle im Innern der Lawine befinden. Ausgedehnte, voll ausgebildete Lawinen, bei denen große zusammenhängende Sandplatten abrutschen und fast während der gesamten Bewegung intakt bleiben, sind am lautesten. Ihr Dröhnen ist bis zu zehn Kilometer weit zu hören.





Wüstenklänge


Ein guter Ansatzpunkt für die Analyse des Phänomens sind zweifellos die Sandkörner selbst. Ihr Durchmesser beträgt bei akustisch aktiven wie inaktiven Formen gleichermaßen durchschnittlich etwa 300 Mikrometer (tausendstel Millimeter). Im allgemeinen sind die Körner in dröhnenden Dünen – insbesondere auf der Leeseite, wo der Lärm entsteht – annähernd gleich groß. Eine solche Einheitlichkeit verbessert die Gleiteigenschaften; denn kleinere Körner würden das gleichmäßige Abrutschen der größeren verhindern.

Trotzdem ist eine annähernd homogene Größenverteilung keine Vorbedingung für das Entstehen von Tönen. So weisen die dröhnenden Sande von Korizo und Gelf Kebib (Libyen) ein untypisch breites Spektrum von Korngrößen auf. Außerdem enthält "schweigender" Sand vielfach dieselben Kornarten wie lärmender in seiner Nachbarschaft.

Dröhnende Sandkörner zeichnen sich andererseits oft durch ungewöhnlich glatte Oberflächen aus – mit Unebenheiten von nur wenigen Mikrometern Höhe. Die zugehörigen Dünen befinden sich vielfach auf der Leeseite ausgedehnter Sandflächen. Während die Körner, vom Wind getrieben, darüber hinweggerollt und -gehüpft sind, wurden sie häufig sehr glatt geschliffen. Aber auch durch mehrfache Umlagerungen innerhalb einer Wanderdüne kann ein Korn im Laufe der Zeit abgerundet werden. Quietschender Sand ist in der Regel gleichfalls ausgesprochen glatt (Bild 4).

Eine gründlichere Untersuchung der Körner im Sand Mountain und in der Kalahari ergab jedoch, daß sie nicht alle annähernd kugelförmig und abgerundet sind. Schon 1936 behauptete A. D. Lewis aus Pretoria (Südafrika), Töne mit den würfelförmigen Körnern von gewöhnlichem Speisesalz erzeugt zu haben. Andererseits lassen sich kugelförmige Glaskugeln nicht zum Tönen bringen. Obwohl also Glätte und runde Form die Tonerzeugung offenbar fördern, scheint auch eine gewisse Unebenheit vonnöten zu sein.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Feuchtigkeit; denn sie beeinflußt den Reibungswiderstand der Körner oder kann sie durch Verklumpen daran hindern, sich gegeneinander zu verschieben. Töne treten dort auf, wo der Sand am besten trocknet. Zwar gibt es in der Wüste selten Niederschläge, doch sind Dünen bemerkenswert gute Feuchtigkeitsspeicher. In Oberflächennähe und insbesondere am Dünenkamm trocknet der Sand deutlich schneller als im Innern.

Auf der Leeseite und in Kammnähe begünstigt die Kombination aus glatten, einheitlich großen Körnern und Trockenheit die Tonerzeugung. Und da der Sand vom Wind meist bevorzugt oben an der Leeseite abgelagert wird, häuft er sich dort schneller an als am Fuß der Düne; die Flanke wird somit immer steiler, und die Wahrscheinlichkeit für eine Lawine nimmt zu.

Im typischen Fall lösen sich große, plattenförmige Sandscheiben in Kammnähe und rutschen als ganzes ab. Auch wenn die Neigung am Fuß der Düne geringer wird, zerfließen diese Platten bei dröhnendem Sand nicht in langsame, lose Ströme; statt dessen sacken ihre oberen Abschnitte in sich zusammen und bohren sich mit großer Wucht in den unteren Bereich. Der Zusammenbruch der Platten ist somit äußerst heftig und turbulent.





Hundert Jahre Forscherstreit


Daß die Erforschung von tönendem Sand so langsam vorankommt, liegt zum einen an der Seltenheit des Phänomens und zum anderen an der Schwierigkeit, die Töne im Labor zu reproduzieren. Zudem hat man über Jahrzehnte hinweg nicht klar zwischen dröhnendem und quietschendem Sand unterschieden, so daß die ältere Literatur recht unzuverlässig ist.

Im Jahre 1889 veröffentlichte der amerikanische Geologe H. Carrington Bolton eine der ersten Untersuchungen zu diesem Phänomen. Als wesentliche Ursache betrachtete er dünne Schichten löslicher Verunreinigungen, die sich durch die allmähliche Verdunstung von Wasser auf den Körnern bilden. Seiner Theorie zufolge entstehen die Töne durch Schwingungen elastischer Luftkissen zwischen sich verschiebenden Sandplatten, wobei Lautstärke und Tonhöhe von der Oberflächenstruktur der Körner abhängen. Bolton beschäftigte sich in erster Linie mit quietschendem Sand, verwendete dasselbe Modell jedoch auch zur Erklärung der dröhnenden Variante.

Etwa zur gleichen Zeit machte sein britischer Kollege Cecil Carus-Wilson die Reibung zwischen den einzelnen Sandpartikeln für das Phänomen des Quietschens verantwortlich. Er wies als erster darauf hin, daß die Körner von quietschendem Sand im allgemeinen kugelförmig, abgerundet und nach der Größe sortiert sind. Criswell und seine Mitarbeiter quantifizierten diese Aussagen später.

Im Jahre 1966 veröffentlichte der britische Ingenieur und Artilleriekommandant R. A. Bagnold den Beitrag "Die Verschiebung und Ausdehnung von trockenem Sand und der Singmechanismus". Darin postulierte er als Ursache für das Dröhnen wie das Quietschen eine rasche periodische Zu- und Abnahme der Hohlräume im Sand. Seiner Theorie zufolge gleiten beim Abrutschen zusammenhängende Sandschichten ähnlich wie Spielkarten in einem umfallenden Stapel übereinander. Während dieses Vorgangs bewegen sich die einzelnen Körner in den oberen Platten jeweils ruckartig über die Teilchen in der nächsttieferen Lage, wobei sie immer wieder kurz in Zwischenräume fallen, herausspringen und ein Stück weiter hinabpurzeln (Bild 3 rechts). Dies geschieht in mehr oder weniger koordinierter Weise. Die gemeinsame Auf- und Abbewegung der Sandkörner in den einzelnen Schichten während des holpernden Abrutschens soll laut Bagnold der Ursprung des Tönens sein. Die Frequenz dieser Kollektivschwingung ist umgekehrt proportional zu Quadratwurzel der mittleren Korngröße.

Bei aller Eleganz erklärt auch Bagnolds Theorie das Dröhnen jedoch nicht vollständig. So sagt sie nichts zu dem niederfrequenten Knallen, das längere Sandströme typischerweise untermalt. Außerdem bleibt offen, wie eine einzige Sandplatte Schwingungen mit vier oder fünf voneinander unabhängigen Frequenzen erzeugen kann. In den siebziger Jahren stellten David R. Criswell und seine Mitarbeiter von der Universität von Houston (Texas) fest, daß jede Vibration – unabhängig von den anderen – ihre eigene Einschwing- und Abklingdauer zu haben scheint. Das Frequenzspektrum überdeckt meist einen recht großen Bereich, dessen Breite von Ort zu Ort variiert. Beispielsweise dröhnt der Sand vom Sand Mountain bei 50 bis 80, der von Korizo bei 50 bis 100 und der aus der südafrikanischen Kalahari bei 130 bis 300 Hertz. Die entstehenden Geräusche – die vermutlich durch verschiedene Schwingungszustände in den sich verschiebenden Sandplatten erzeugt werden – sind oft ausgesprochen mißtönend und können, wenn riesige Massen abrutschender Sandkörner aneinanderreiben, zu ohrenbetäubender Lautstärke anschwellen.

Bagnolds Überlegungen zum quietschenden Sand sind dagegen überzeugender. Demnach verschöben sich beim Aufsetzen des Fußes ähnlich wie in Sandlawinen Schichten von Sandkörnern relativ zueinander. Der einzige Unterschied bestehe in der einwirkenden Kraft. Während in dröhnenden Dünen allein das Eigengewicht des Sandes Lawinen und das sie begleitende Geräusch entstehen ließe, führe hier der Kompressionsdruck eines auftretenden Fußes zu einer Bewegung der Sandschichten gegeneinander, die ihrerseits quietschende Töne zur Folge habe. Die beobachteten Frequenzen passen in der Tat relativ gut zu dieser Deutung.

Uns selbst ist es nicht gelungen, dröhnendem Sand Quietschtöne zu entlocken, aber schon 1889 erwähnte Bolton Anzeichen dafür, daß ein und derselbe Sandtyp beide Geräuscharten hervorbringen könne. So schrieb er, daß der Sand auf Hawaii "die akustischen Eigenschaften" sowohl von Stränden als auch von Wüsten habe. Er erzeuge dieselben Geräusche wie die Lawinen der dröhnenden Düne am ägyptischen Djebel Nagous und bringe wie der Sand bei Eigg (Schottland), bei Manchester (Massachussetts) und an anderen Meeresstränden einen besonderen, dem Schrei der Eule ähnlichen Ton hervor, wenn er in einer Tasche zusammengepreßt werde.

Gegen Ende der siebziger Jahre vermochte Peter K. Haff, damals am California Institute of Technology in Pasadena, an dröhnendem Sand der Kelso-Dünen im südöstlichen Kalifornien auch hochfrequente Quietschtöne zu erzeugen. Dies ist eine gewisse Bestätigung für Bagnolds Behauptung, der einzige Unterschied zwischen beiden Phänomenen sei der Mechanismus, durch den die Geräusche entstehen: Kompression oder Lawinen. Allerdings zeigt Haffs Analyse auch, daß von dröhnendem Sand erzeugte Quietschlaute aus einer Vielzahl von Frequenzen bestehen, während echter quietschender Sand relativ reine Töne von sich gibt.





Auf der Suche nach der Lösung


Alles in allem zeigen die Ergebnisse der bisherigen Untersuchungen, daß Sand dröhnt, wenn eine Serie von Vorgängen bestimmte Bedingungen geschaffen hat (Bild 3). Zunächst muß der Wind eine Düne auftürmen, die weit von der ursprünglichen Sandquelle entfernt ist, damit die Körner über große Strecken transportiert und dabei geglättet sowie nach Größe sortiert werden. Ein kräftiger Regenguß hat Staub und kleinere Teilchen aus den Zwischenräumen herauszuspülen. Dann muß der Sand zwei oder drei Wochen lang trocknen können. Und schließlich ist ein so starker Wind erforderlich, daß die Körner über den Kamm hinausgeblasen werden und der leeseitige Hang eine bestimmte Steilheit (etwa 35 Grad bei trockenem Wüstensand) annimmt. Sobald dieser Wert erreicht ist, beginnt der Sand plötzlich abzurutschen.

Der wichtigste Parameter, von dem die Dröhnfähigkeit des Sandes abhängt, ist offenbar sein Scherwiderstand. Bei zu dichter Packung der Körner können sich die Schichten nicht gegeneinander verschieben, während zu locker abgelagerte Partikel die Eigenschaften einer Flüssigkeit annehmen und einzeln statt schichtweise abrutschen.

Obwohl man die Faktoren, die am Tönen von Sand mitwirken, inzwischen großenteils kennt, wird das Phänomen wohl erst dann vollständig erklärbar, wenn man auch ihr Zusammenspiel versteht. Hawaii wäre ein geeigneter Ort für entsprechende Untersuchungen. Im Inneren der Inseln Kauai und Niihau befinden sich nämlich die einzigen bekannten dröhnenden Binnendünen außerhalb von Wüsten. Der Sand dort ist relativ feucht und enthält ungewöhnlich große Körner mit etwa 460 Mikrometern Durchmesser. Zudem unterscheidet er sich in der chemischen Zusammensetzung von den anderen tönenden Formen: Statt aus dem sonst üblichen Quarz (Siliciumdioxid) besteht er aus Muschelkalk (Calciumcarbonat). Da die Ausnahme die Regel gewöhnlich am besten erhellt, könnte das Studium dieser Sande von großem Erkenntniswert sein.

Weitere Aufschlüsse über den Mechanismus der Tonerzeugung verspricht auch der Blick ins Innere dröhnender Dünen. Vielleicht helfen hier hochentwickelte Röntgentechniken weiter; bislang sind solche Untersuchungen noch nicht durchgeführt worden.

Einen faszinierenden Forschungsansatz bietet schließlich das elektrische Verhalten von Sand. Wenn ein Quarzkorn komprimiert wird, bilden sich an den beiden Enden entgegengesetzte elektrische Ladungen; diese Polarisierung kann dazu führen, daß Sandkörner einander anziehen. Lewis machte in diesem Zusammenhang 1936 eine interessante Entdeckung: Wenn er dröhnenden Kalahari-Sand langsam ausgoß, lagerten sich die Körner bisweilen zu bis zu 1,5 Zentimeter langen Fäden zusammen. Diese waren, wie sich mittels Elektroskop nachweisen ließ, tatsächlich elektrisch geladen. Allerdings haben wir festgestellt, daß eine elektrische Erdung des Sandes seine akustische Aktivität nicht unterdrückt. Umgekehrt könnten elektrische Effekte auch erklären, warum Feuchtigkeit das Dröhnen verhindert; doch hat bisher niemand einen überzeugenden Beweis für ihre Beteiligung an dem Phänomen vorgelegt.

Andere vielversprechende Forschungsansätze umfassen die systematische Untersuchung der mineralischen Zusammensetzung der Körner; denn davon sollte die Reibung und damit die Scherkraft abhängen. Lohnend wäre sicherlich auch die künstliche Herstellung von dröhnendem Sand, weil das synthetische Material erlauben würde, einzelne Parameter gezielt zu verändern und so ihre Bedeutung zu prüfen.

Ob es schließlich gelingen wird, den Schleier des Geheimnisses zu lüften, der das Phänomen noch immer umgibt, hängt sicherlich auch davon ab, ob sich genügend Forscher so für das Thema begeistern können, daß die skizzierten interdisziplinären Untersuchungen tatsächlich zustandekommen.

Literaturhinweise

– The Physics of Blown Sand and Desert Dunes. Von R. A. Bagnold. Methuen, London 1954.
– Sound-Producing Dune and Beach Sand. Von J.-F. Lindsay, D. R. Criswell, T. L. Criswell und R. S. Criswell in: Geological Society of America Bulletin, Band 87, Seiten 463 bis 473; 1976.
– Sound-Producing Sand Avalanches. Von Paul Sholtz, Michael Bretz und Franco Nori in: Contemporary Physics, Band 38, Heft 5, Seiten 329 bis 342; Oktober 1997. Dieser Artikel sowie Tonbeispiele sind im Internet abrufbar unter: http://www.personal.engin.umich.edu/~nori/booming_sand.html


Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 1998, Seite 68
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
8 / 1998

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 8 / 1998

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