Как устроены «поющие» барханы в Казахстане

Географическое положение и феномен Айгайкума

Знаменитый бархан расположен в Алматинской области Казахстана, в долине реки Или, между двумя отрогами хребта Джунгарский Алатау — грядами Большой и Малый Калканы. Местные жители называют эту гору Айгайкум, что переводится как «кричащий песок». Длина песчаной гряды составляет около трех километров, а высота отдельных гребней достигает ста пятидесяти метров. Подобный массив посреди каменистой щебнистой степи выглядит неожиданно, так как вокруг бархана раскинулась твердая пустынная равнина, лишенная сплошного песчаного покрова.

Песчаная дюна сохраняет свое стабильное положение на протяжении тысячелетий. Этому способствует специфическая роза ветров в котловине между отрогами Калканов. Воздушные потоки поднимаются над руслом реки Или, подхватывают мелкие частицы разрушенных горных пород и сталкиваются с преградой в виде каменных массивов. Сильные встречные ветра отсекают песок с противоположных сторон, предотвращая его рассеивание по долине и удерживая тело бархана на одном месте.

Физико-механический механизм генерации звука

Звуковой эффект возникает во время движения поверхностных слоев песка, когда по склону сходит сухая осыпь. Такую волну запускает порыв ветра или шаг человека. При движении лавины песчинки перекатываются друг по другу, соударяются и создают колебания определенной частоты. Если сдвиг происходит хаотично, слышится обычное шуршание. Гул появляется только при совпадении целого ряда условий.

• Однородный гранулометрический состав массива, где преобладают песчинки фракции от 0,1 до 0,3 миллиметра
• Высокая степень окатанности зерен правильной сферической формы без острых углов и сколов
• Абсолютная сухость поверхностного слоя песка, лишенного капиллярной влаги
• Наличие тончайшего слоя кремнеземного налета на поверхности каждого зерна, повышающего взаимное сцепление
• Синхронное ламинарное движение пласта, когда миллиарды частиц смещаются с одинаковой скоростью

Физики из Парижского университета имени Дени Дидро проводили замеры акустических волн на подобных дюнах в Марокко, Чили и Казахстане. Они установили, что частота звука напрямую зависит от диаметра песчинок и толщины движущегося пласта. При падении песчинки сталкиваются с подстилающим слоем со скоростью около ста ударов в секунду. В результате возникает монохроматический низкочастотный звук с преобладанием гармоник от 80 до 120 герц. По звучанию он напоминает низкую ноту органа, басовую струну контрабаса или рокот мотора низколетящего турбовинтового самолета. Громкость гула при мощном обвале достигает ста децибел, а вибрация отчетливо передается через почву ногам стоящего рядом человека.

Роль климата и химического состава песка

Айгайкум состоит в основном из кварца с примесью полевого шпата и темноцветных минералов, вымытых рекой Или из гранитных и вулканических массивов Тянь-Шаня. Речная вода тысячелетиями окатывала песчинки, полируя их грани до идеально гладкого состояния. Затем постоянные ветра выдували из речных кос только зерна определенного калибра, перенося их к подножию Калканов. Этот естественный сортировочный механизм создал структуру, работающую как слаженная колебательная система.

Резко континентальный климат Семиречья обеспечивает необходимые условия для работы этого природного генератора. Летом воздух прогревается выше сорока градусов, а относительная влажность падает до минимума. Солнечные лучи прокаливают верхний слой бархана, полностью испаряя адсорбированную воду. Даже мизерная пленка влаги способна заблокировать звук. Вода создает капиллярные мостики между песчинками, зерна слипаются, трение скольжения исчезает, и лавина превращается в плотную беззвучную массу. Поэтому во время дождя или сразу после него бархан полностью затихает.

Электростатические эффекты в песчаной лавине

Помимо чисто механического трения, существенную роль играет трибоэлектричество. При взаимном трении сухих диэлектрических кварцевых частиц возникает интенсивная электризация поверхности зерен. Накапливающийся статический заряд создает локальные электростатические поля отталкивания. Одноименно заряженные песчинки отталкиваются друг от друга, снижая плотность движущегося потока и увеличивая расстояние между частицами.

Такая воздушная подушка из взаимно отталкивающихся заряженных частиц обеспечивает ламинарный режим течения. Песчинки перемещаются слоями, без турбулентного перемешивания, что критически необходимо для возникновения синфазных акустических колебаний. Если нарушить эту синхронизацию, фазы волн от отдельных ударов разойдутся, колебания погасят друг друга, и мощный басовый тон исчезнет.