Wydmy mają ukryty porządek. Piasek i trawa zachowują się zaskakująco

Wydmy nie wyrastają przypadkowo. Piasek i porastająca go trawa tworzą system, którego zachowanie można opisać prawami znanymi z fizyki rozdzielających się mieszanin. Duże wydmy przechwytują coraz więcej piasku, małe słabną, a cały krajobraz z czasem staje się coraz grubszy i mniej rozdrobniony. Naukowcy znaleźli w prawdziwych wydmach dokładnie taką sygnaturę, jaką wcześniej przewidywał model matematyczny.

Patrząc z góry na młody pas wydmowy, łatwo uznać układ piaszczystych pagórków i kęp trawy za wynik przypadkowego działania wiatru. Naukowcy z Uniwersytetu Utrecht, NIOZ i współpracujących ośrodków pokazują jednak, że pod pozornym chaosem kryje się wyraźny mechanizm samoorganizacji.

W opublikowanym badaniu przeanalizowano rozwijające się systemy wydmowe na holenderskim wybrzeżu, m.in. na Texel i Ameland oraz w rejonie Zandmotor. Badacze korzystali ze zdjęć lotniczych o wysokiej rozdzielczości i danych o wysokości terenu. W przypadku Texel mogli dodatkowo porównać układ roślinności i wydm w kolejnych latach.

Szczególnie ważna okazała się piaskownica zwyczajna, czyli charakterystyczna trawa dobrze znana również z polskiego wybrzeża. Jej pędy spowalniają przepływ powietrza, dzięki czemu niesiony wiatrem piasek zaczyna odkładać się wokół roślin. Kępa trawy nie jest więc wyłącznie pasażerem wydmy, a aktywnie pomaga ją budować. Im gęstsza jest roślinność, tym skuteczniej zatrzymuje piasek. I właśnie w tym miejscu zaczyna się proces, który na większej powierzchni daje zaskakujący rezultat.

Badacze spodziewali się, że rozwijający się krajobraz może dążyć do pewnej charakterystycznej wielkości wydm i regularnych odległości pomiędzy nimi. Tak dzieje się w części innych samoorganizujących się ekosystemów. W holenderskich wydmach takiego porządku jednak nie znaleziono. Nie pojawia się jedna optymalna wielkość piaszczystego pagórka ani jeden typowy odstęp pomiędzy kolejnymi kępami. Zamiast tego krajobraz przez cały czas się przeobraża. Większe, gęściej porośnięte fragmenty przechwytują coraz więcej przemieszczającego się piasku, podczas gdy mniejsze otrzymują go coraz mniej.

W rezultacie niewielkie wydmy mogą słabnąć i zanikać, a większe rosnąć i łączyć się z sąsiadami. Z biegiem czasu powstaje mniej obiektów, za to mają one większe rozmiary. To proces znany w fizyce jako grubienie struktury. Co ciekawe, analogiczny efekt można zaobserwować przy czymś tak codziennym jak mieszanina oleju i octu.

Po energicznym wymieszaniu oleju z octem pojawia się mnóstwo niewielkich kropelek. Jeżeli zostawimy mieszaninę w spokoju, drobne krople nie pozostaną jednak na zawsze równomiernie rozrzucone. Z czasem powstają coraz większe skupiska. To przykład rozdzielania faz - układ zmienia się w taki sposób, że większe obszary jednej fazy rosną, a małe stopniowo zanikają.

Już w 2023 r. część autorów obecnej pracy zaproponowała, że podobna fizyka może opisywać również niektóre ekosystemy. Nie oznacza to oczywiście, że wydma jest kroplą oleju. bo kluczowa jest matematyczna zasada stojąca za przepływem ograniczonego zasobu pomiędzy obszarami o różnym zagęszczeniu.

W przypadku wydm tym przemieszczającym się zasobem jest piasek. Wiatr może wielokrotnie przenosić te same ziarna, dopóki nie zostaną zatrzymane. Gęsta roślinność robi to skuteczniej, więc obszary, które już mają przewagę, jeszcze bardziej ją zwiększają. Najważniejsze jednak, że podobieństwo nie kończy się na obrazku. Rozkład wielkości wydm, sposób ich łączenia oraz tempo, w jakim zmiany krajobrazu stopniowo zwalniają, zgadzają się z przewidywaniami teorii rozdzielania faz.

Ten sam model mówi również nam coś o odporności wydm na uszkodzenia. Naukowcy znaleźli próg zagęszczenia roślinności, po którego przekroczeniu mechanizm zaczyna działać w przeciwną stronę. Jeżeli trawy jest odpowiednio dużo, obszar zatrzymuje piasek i może dalej rosnąć. Jeżeli jej zagęszczenie spadnie za bardzo, miejsce zaczyna tracić piasek na rzecz lepiej porośniętych fragmentów.

To oznacza, że niewielkie lokalne uszkodzenie niekoniecznie samo zniknie. Wydeptanie roślinności albo utworzenie przez wiatr zagłębienia może uruchomić sprzężenie, w którym uszkodzony fragment zamiast odzyskiwać piasek traci go jeszcze więcej.

Cały system wydmowy może przy tym nadal pozostawać w dobrej kondycji. Piasek nie musi znikać z wybrzeża, lecz zostaje przesunięty gdzie indziej. Z perspektywy pojedynczej wydmy różnica jest jednak zasadnicza, bo krajobraz jako całość przetrwa, podczas gdy konkretny fragment może już się nie odbudować.

To istotne również nad naszym Bałtykiem. Presja na polski pas nadmorski rośnie wraz z kolejnymi inwestycjami, a jednym z podnoszonych problemów jest właśnie ryzyko niszczenia wydm i cennych siedlisk. Nowe wyniki pokazują, dlaczego lokalnego uszkodzenia roślinności nie zawsze można traktować jak drobnej rysy, która z czasem zniknie sama.

Holendrzy interesują się tym mechanizmem nie tylko z czystej ciekawości. Wydmy są elementem ochrony wybrzeża przed morzem, dlatego coraz większą rolę odgrywa koncepcja budowania razem z naturą. Zamiast wszędzie zastępować naturalne procesy betonowymi konstrukcjami, można próbować wykorzystać wiatr, piasek i roślinność do wzmacniania brzegu.

Żeby takie podejście działało, trzeba jednak wiedzieć, kiedy przyroda rzeczywiście potrafi naprawić zakłócenie, a kiedy przekroczony zostaje punkt, po którym proces zaczyna sam pogłębiać problem. Zresztą ochrona wydm już dziś wpływa na sposób prowadzenia dużych inwestycji na polskim wybrzeżu. Przy wyprowadzaniu kabli z morskich farm wiatrowych Bałtyk 2 i Bałtyk 3 wykonano podziemne przewierty, właśnie po to, żeby ominąć wydmy i ich ekosystem.

Przeczytaj także:

Nowe badanie mówi nam przede wszystkim, że wydma nie jest po prostu kopcem piasku, który można usypać ponownie w dowolnym miejscu. To dynamiczny układ roślinności, wiatru i przemieszczającego się materiału, który potrafi sam tworzyć własną strukturę.

*Źródło zdjęcia wprowadzającego: Afbeeldingen van anton havelaar, Canva Pro