Vegetated dunes and barchan dune fields

Abstract

Desertification is closely related to aeolian sediment transport, including sand dunes formation, evolution and migration. Sand dunes propagate in huge clusters of thousand of dunes with an internal complex dynamics that determines their size and spatial distribution. Furthermore, it is known that the vegetation growing on sand dunes is an active agent that modifies dune mobility and sand distribution in a desert area, ultimately leading to an inactive sand landscape. This work addresses three crucial problems related to aeolian sand transport, barchan dune fields and vegetated dunes. First, what are the phenomenological parameters behind our sand transport model, and how they are related with the physical properties of the system. Second, how are barchan dunes distributed over desert? Which factors determine the size and spatial distribution of dune fields? And, third, how can vegetation deactivate a barchan dune? Which conditions are behind this inactivation process? As a result, we were able to extend the phenomenological parameters of our sand transport model to different physical conditions, such as under water or in the Mars atmosphere. We found that the size distribution of barchan dune fields is log-normal and dunes are regularly spaced. Therefore, barchan dune fields are fully described by the mean dune size, the standard deviation and the inter-dune spacing. Furthermore, these properties are not independent but are related by a simple constitutive equation and are dynamically selected by the upwind boundary conditions in the dune field. Finally, we found that active barchan dunes are transformed into inactive parabolic dunes under the effect of vegetation growth. This inactivation process occurs if the fixation index, a parameter fully determined by initial conditions, is below a critical value. This is a simple condition that leads to the first quantitative solution of the crucial dune inactivation problem.

Desertifikation steht in enger Beziehung zu aeolischem Sedimenttransport, einschliesslich der Bildung, Evolution und Bewegung von Sanddünen. Sandduenen bewegen sich in riesigen Clustern von tausenden von Dünen unter einer komplexen internen Dynamik, welche ihre Größe und räumliche Verteilung bestimmt. Es ist zudem bekannt, dass die auf einer Düne wachsende Vegetation einen aktiven Einfluss ausübt und die Dünenmobilität sowie die Sandverteilung in einem Wüstengebiet verändert, was letztendlich zu einer inaktiven sandigen Landschaft führt. Diese Arbeit behandelt drei wichtige Fragestellungen in Bezug auf aeolischen Sandtransport, Barchen-Dünenfelder und Dünen mit Vegetation. Erstens, was sind die phänomenologischen Parameter die unserem Sandtransport-Modell zugrunde liegen, und was ist deren Beziehung zu den physikalischen Eigenschaften des Systems? Zweitens, wie verteilen sich Barchandünen in einer Wüste? Welche Faktoren bestimmen (allgemein) die Größe und räumliche Verteilung von Dünenfeldern? Und, drittens, wie kann Vegetation eine Barchendüne inaktivieren, und welche Bedingungen liegen diesem Prozess zugrunde? Im Ergebnis konnten wir die phänomenologischen Parameter unseres Sandtransport-Modells auf andere physikalische Bedingungen wie denen unter Wasser oder auf dem Mars ausdehnen. Wir stellten fest, dass die Größenverteilung von Barchandünenfeldern eine lognormale ist, und dass die Dünen sich in regelmässigen Abständen befinden. Somit werden Barchendünenfelder durch die Angabe der mittleren Dünengröße, ihrer Standardabweichung und des Abstandes zwischen den Dünen vollständig beschrieben. Diese Eigenschaften sind zudem nicht unabhängig voneinander, sondern über eine einfache konstitutive Gleichung miteinander verbunden, und sie werden durch die windwärtigen Randbedingungen im Dünenfeld dynamisch ausgewählt. Schließlich stellten wir fest, dass aktive Barchandünen unter dem Einfluss von Vegetationswachstum in inaktive parabolische Dünen umgewandelt werden. Dieser Inaktivierungsprozess findet statt, falls der Fixationsparameter, ein Parameter der durch die Anfangsbedingungen vollständig bestimmt wird, unterhalb eines kritischen Wertes liegt. Dies ist eine einfache Bedingung, welche zum ersten Mal eine quantitative Lösung des bedeutenden Problems der Düneninaktivierung erlaubt.