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Vom Winde verweht

Dünen können ganze Städte unter sich begraben. Andere halten Strände sauber – oder betören mit ihren Klängen. Ein deutscher Physiker ist dem Geheimnis der wandernden Sandberge mit seinem Computer auf die Spur gekommen.

Um Erwin Rommel ranken sich viele Heldengeschichten. Nur die vielfache britische Übermacht in Nordafrika sei Schuld gewesen, sagen Militärromantiker, dass der Generalfeldmarschall des Afrika-Korps die Schlacht gegen General Montgomery verlor. In Wahrheit ist die Niederlage des „Wüstenfuchses“ bei El Alamain einem Mann namens Ralph Bagnold zuzuschreiben. Der britische Grenadier war besessen von der Wüste – schon in den zwanziger Jahren reiste er mit umgebauten Fahrzeugen durch Libyen und Ägypten. Bagnold kannte das Sandmeer wie seine Westentasche. Während die deutschen Truppen mit ihren Panzern nur bestimmte sichere Routen nehmen konnten, durchquerten britische Spezialkommandos unter Bagnolds Führung die dichtesten Dünenfelder. Vielleicht hätte Rommel eine Chance gehabt, wenn er Bagnolds 1941 veröffentlichten Buchklassiker über die Physik wehenden Sandes und wandernder Dünen gelesen hätte.

60 Jahre später hat der britische Dünenpionier einen würdigen Nachfolger gefunden: Hans Jürgen Herrmann, Professor am Institut für Computeranwendungen der Universität Stuttgart. Das Abenteuer steht Herrmann ins Gesicht geschrieben: Sonnengegerbte Haut, vom Wind zerzaustes Haar und ein kerniger Dreitagebart. Doch der in Kuba geborene und in Kolumbien aufgewachsene Physiker, der 17 Jahre in Paris geforscht und gelehrt hat, kämpft nicht gegen fremde Mächte, sondern gegen das Chaos in seinem Büro. Unzählige Sandproben aus aller Herren Länder gibt es hier – und viele andere bröckelige Dinge, an denen der 49-Jährige die Physik granularer Medien untersucht. Zur Not tun es auch Münzen: Herrmann hat sie zwischen zwei Glasplatten gespannt – und demonstriert so, dass kleine Pfennige zwischen großen Markstücken nach unten durchrutschen. Wahlweise geht es auch mit Cents und Euros. Derselbe Effekt ist schuld daran, dass im Schokomüsli die dicken, faden Reispops stets zuerst aus der Packung rieseln und man auf die leckeren Schokoraspel so lange warten muss.

Normalerweise finden Herrmanns Experimente nicht im Labor statt, sondern im Computer. Vor vier Jahren hat er als erster im Rechner simuliert, wie Höhe, Sandfluss und Windgeschwindigkeit in so genannten Sicheldünen – einer von rund hundert Dünenformen – zusammenhängen. Tatsächlich warfen die drei gekoppelten Differenzialgleichungen mit zwei Variablen nicht nur ein paar hübsche Ergebnisse aus – wie schon die einfacheren Simulationen anderer Kollegen zuvor –, sondern obendrein noch solche, die im Einklang mit der Natur standen. Das sorgte in der Fachwelt für Aufsehen und brachte Herrmann jüngst den mit 125000 Euro dotierten Max-Planck-Forschungspreis.

Ob sich die Dünen in freier Natur tatsächlich so verhalten wie ihre digitalen Doubles, prüfte Herrmann vor zwei Jahren bei Expeditionen nach Marokko und Brasilien. Seine Untersuchungen bestätigten, dass sich Länge, Breite und Höhe von Sicheldünen stets proportional ändern. Herrmann hielt außerdem fest, wie sich die Geschwindigkeit des Windes über dem Dünenprofil verhält und wie Feuchtigkeit die Viskosität des Sandes beeinflusst. In der Regenzeit können Sicheldünen nämlich ihre Form umkehren – der Wind bläst dann in den inneren Bogen der Sichel. Herrmann war selbst verblüfft, dass seine Simulationen weit genauere Ergebnisse lieferten als die besten Messgeräte. Dies liegt daran, dass in Dünen die Messungen – etwa von Windgeschwindigkeit und Materialtransport – nur grobmaschig gemacht werden können, weil die Dünen groß und die Messgeräte teuer sind, was deren Zahl begrenzt. Also sind die Messungen nur punktuell, und die Forscher interpolieren zwischen ihnen. Das macht die Daten ungenau. In der Computer-Simulation lassen sich dagegen die Parameter für jeden Punkt zu jeder Zeit ausrechnen. Man könnte auch sagen: Das „ Rechennetz“ ist engmaschiger und damit genauer als das „Messnetz“ in der Natur.

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Noch ein anderes Phänomen nahm der Stuttgarter Professor live unter die Lupe. Schon Ralph Bagnold hatte bei seinen Wüstentouren beobachtet, dass ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit – etwa 18 Kilometer pro Stunde, wie man erst heute weiß – über einer Düne ein

etwa fünf Zentimeter hoher Sandschleier entsteht. Bei dieser so genannten Saltation werden Sandkörner durch Luftwirbel herausgesaugt und vom Wind beschleunigt. Nach einer bestimmten Strecke fallen sie wieder herunter und schlagen neue Körner heraus.

Herrmann lässt in seinen Algorithmen Milliarden Sandkörnchen gleichzeitig durch die Luft fliegen: Was in der Natur mehrere Jahre dauert, läuft auf den Hochleistungsrechnern in wenigen Stunden ab. Ein Videoclip rafft den Prozess dann noch einmal auf ein paar Sekunden. Die Sandkaskade könne man auch im Windkanal untersuchen, sagt Herrmann, doch die Betreiber solcher Anlagen – zum Beispiel die Kollegen vom benachbarten Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen – seien nicht begeistert, wenn Sand ins Getriebe ihrer teuren Tunnel gerät. Herrmann will weitermachen – auch ohne teure Experimente: „Die Quantenphysik ist verstanden, die Natur nicht.“

Unklar war zum Beispiel lange, ob es sich bei einer Düne im mathematischen Sinn um ein Soliton handelt. Wenn dem so wäre, müssten sich zwei Dünen durchdringen, ohne dass sie miteinander in Wechselwirkung treten – wie Wellen, wenn man zwei Steine ins Wasser wirft. Beobachtungen der Dünenforscher sprachen zunächst für die Solitonen-Theorie: Wenn eine kleine, schnelle Düne von hinten auf eine große, langsame Düne aufläuft, verlässt nach einiger Zeit vorne eine kleine Düne das Sandpaket – so als hätte sie ihren großen Bruder überholt.

Lässt Herrmann seine Simulationen als Film ablaufen, sieht auch der Laie sofort, dass diese Beobachtung täuscht. Es kommt vielmehr zu einer Art Dünen-Kannibalismus: Die kleine Düne nagt so lange am Rücken der großen, bis sie selbst so groß ist wie diese. Sie verliert dabei an Tempo. Die vordere Düne eilt nach ihrer „Diät“ als kleine Düne davon, manchmal entstehen dabei an den Sichelenden kleine Babydünen. „Die Computerberechnungen sind wichtig, weil sie oft der Intuition widersprechen“, wirbt Herrmann. Davon können auch die spanischen Ingenieure ein Lied singen, die vor 40 Jahren ein 20 Kilometer langes Förderband zum Transport von Phosphat aus der West-Sahara an die Küste Marokkos bauten – mitten durch ein Feld mit Tausenden von Sicheldünen. Weil sie clever sein wollten, stellten sie das Förderband auf 15 Meter hohe Stelzen, damit die bis zu 10 Meter hohen Dünen darunter hindurch tauchen konnten. Doch es kam anders: Die Dünen verhakten sich an den Stelzen und türmten sich so hoch auf, dass die Anlage binnen weniger Jahre komplett mit Sand überflutet wurde.

Einem ganz anderen Phänomen, dem Gesang der Dünen, kamen Wissenschaftler am Institut für physikalische Statistik in Paris mit Laborversuchen auf die Spur. Von diesen Tönen schwärmte schon der Entdecker Marco Polo. Weltweit gibt es rund 20 solcher dröhnenden Dünen. Ihr Ton ist mit 100 Hertz sehr tief und mit 100 Dezibel fast so laut wie ein Presslufthammer. Mal sind die Töne rau wie ein Motorengeräusch, mal nahezu rein. Stephane Douady

untersuchte Dünen im Süden Marokkos, die fast ununterbrochen „ singen“. Er fand heraus, dass der Ton entsteht, wenn Sand am Kamm der Düne abbricht und auf der Rückseite abrutscht. Die rutschende Schicht ist zehn Zentimeter dick und besteht aus rund 500 Lagen, in denen sich die Sandkörnchen aneinander reiben. Weil die Schichten synchron übereinander gleiten, entstehen erstaunlich klangvolle Töne. „Unser Verständnis reicht noch nicht aus, um den Prozess im Computer zu simulieren“, sagt Douady.

Für den Gesang der Dünen haben die Bewohner von Nouakchott, der Hauptstadt Mauretaniens, nichts übrig. Sie sind permanent auf der Flucht vor den Sandwalzen, die bis zu 30 Meter im Jahr vorankommen. Auf der einen Seite werden Häuser unter den Sandmassen begraben, auf der anderen bauen die Einwohner neue. Stellwände und künstlich angelegte Vegetation sollen nun helfen, die Macht der Dünen zu brechen. Mit ihrer Not sind die Menschen in der Sahara nicht allein: Sogar in Europa, zum Beispiel an der deutschen Nordseeküste, gibt es Dünen. Doch diese Sandwalzen sind so befestigt, dass sie Häuser und Verkehrswege nicht bedrohen.

Was für die Anwohner ein Segen ist, hat für die Natur große Nachteile. So hat Haim Tsoar von der Ben Gurion Universität im israelischen Beersheva herausgefunden, dass die Artenvielfalt in befestigten Dünen geringer ist. Der Dünenexperte stellte außerdem fest, dass wandernde Dünen wie riesige Besen wirken und Strände von Schmutz reinigen. Aus diesem Grund wird überall in der Welt diskutiert, befestigte Dünen wieder von der Leine zu lassen.

Als Erstes hat Brasilien reagiert. Im Norden des Landes wurde das riesige Dünenfeld Lençoes Marahenses zum Naturschutzgebiet erklärt – man verdient gutes Geld mit den Touristen, die sich das Naturschauspiel anschauen wollen. Wenn sie Glück haben, treffen sie dort auch Hans Herrmann, der in den nächsten Jahren öfters nach Brasilien reisen will. Das Preisgeld setzt Herrmann aber nicht in den Sand – er will es nutzen, um mit Kollegen der Universität Porto Alegre weitere Dünen zu vermessen. Im September steht der Einfluss der Vegetation auf die Wanderung der Dünen im Blickpunkt. Herrmann hat in sein Rechenmodell eine Gleichung eingefügt, die diesen Einfluss berücksichtigt.

Herrmanns nächster Trip ist rund 60 Millionen Kilometer weit – allerdings nur virtuell im Rechner. Ziel ist der Nachbarplanet Mars. Herrmann will versuchen, aus der Form der Dünen dort auf die Zusammensetzung des Sandes zu schließen. Alles was seine Gleichungen als Input benötigen, wurde bereits durch Raumsonden erforscht, zum Beispiel die Dichte der Atmosphäre oder die Windgeschwindigkeit, die auf dem Roten Planeten über 200 Kilometer pro Stunde erreicht. Ralph Bagnold kommt ihm diesmal nicht in die Quere, auch kein anderer Forscher hatte bislang die Idee. Herrmann: „Es ist immer eine Herausforderung, der Erste zu sein.“

Kompakt

Ein Stuttgarter Professor hat erstmals im Computer simuliert, wie Dünen wandern.

Alle Versuche, die Sandwanderungen in der Sahara zu bremsen, waren bisher erfolglos.

Die Simulationen könnten auch Aufschlüsse über den Sand auf dem Nachbarplaneten Mars geben.

Bernd Müller

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