Teilchenbasierte Simulation des äolischen Sandtransports und der damit verbundenen Staubemission

Im gegenwärtigen Beitrag wird ein numerisches Werkzeug für die teilchenbasierte Simulation des äolischen Sedimenttransports in der atmosphärischen Grenzschicht vorgestellt. Die zuverlässige Modellierung dieses Transports als Funktion der Windverhältnisse und der Bodenerodierbarkeit ist für viele Anwendungen, von der Küsten- bis hin zur Desertifikationsforschung, sehr wichtig. Im Zusammenhang mit der Klimasimulation ist die korrekte Vorhersage der äolischen Sedimentransportraten für die Repräsentation des Staubzykluses im Erdsystem unabdingbar – die Emission von Staubpartikeln aus dem Boden wird hauptsächlich durch die Kollision größerer Sandpartikeln in sprungweiser Bewegung (Saltation) auf das Sedimentbett verursacht. Doch die Auswirkungen der Bodenbeschaffenheit und turbulenten Windfluktuationen auf die Partikelbewegung sind noch wenig verstanden. Ungeachtet der zahlreichen, auf empirischen Beobachtungen basierten Parametrisierungsschemata zur Erfassung äolischer Prozesse zählt die quantitative Bestimmung der Bodenerosionsrate und des damit verbundenen vertikalen Staubemissionsflusses zu den wichtigsten Unsicherheitsquellen in Klimamodellen.

Deshalb befasst sich gegenwärtige Arbeit mit der direkten, teilchenbasierten Simulation des äolischen Sedimenttransports mit Hilfe der Diskrete-Elemente-Methode (DEM). Dabei werden die Newtonschen Bewegungsgleichungen für jedes einzelne Teilchen im System – ob in der Luft oder im Sedimentbett – unter Berücksichtigung der Schwerkraft, einer effizienten hydrodynamischen Beschreibung der Teilchen-Wind-Kopplung, sowie eines Modells für die interpartikulären Kontakt- und van-der-Waals-Kräfte numerisch gelöst. Die hier vorgestellte numerische Simulation verzichtet somit vollständig auf Splash-Funktionen. Zudem wird ein Modell für die stochastische Natur des Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungspotentials miteinbezogen.

Unsere numerische Vorhersage der Sandtransportrate (Q) als Funktion der zeitlich gemittelten turbulenten Windschergeschwindigkeit (u_*) stimmt quantitativ mit entsprechenden Daten aus Windkanalversuchen überein. Auch die erforderliche Schergeschwindigkeit für den Sandtransport im Windkanal wird von unserem Modell quantitativ wiedergegeben. Aus den Simulationsergebnissen wird weiterhin deutlich, dass die Dicke D des losen Sedimentbettes im Verhältnis zum Teilchendurchmesser d eine entscheidende Rolle für die Skalierung von Q mit u_* einnimmt. Im Besonderen wird bei einer Verringerung der Sedimentverfügbarkeit ein Übergang von einer quadratischen (D/d >~ 2) in eine kubische (D/d << 2) Skalierung der Sandtransportrate mit der Schergeschwindigkeit beobachtet. Eine Erweiterung des Modells für stark polydisperse Systeme ermöglicht die Ermittlung des mit dem Sandtransport hervorgehenden vertikalen Staubemissionsflusses.