Dünen: Die Gesetze des Sandes

Wo es in Wüsten staubtrocken ist und immer wieder Winde wehen, da türmen sich Dünen auf. Und diese Sandhügel haben es in sich: Manche rühren sich seit Jahrtausenden nicht vom Fleck, andere wandern unablässig - und einige beginnen sogar zu singen
In diesem Artikel
Die "singenden Dünen"
Die Größe der Körner ist entscheidend
Zeitzeugen einer Vergangenheit

Die "singenden Dünen"

Es gibt wohl nirgendwo auf Erden eine Landschaft, in der die Menschen Stille stärker zu empfinden vermögen als im endlosen Sandmeer einer Wüste. Wenn der Wind sich legt, wird es so ruhig, dass Geräusche im eigenen Ohr zu einem Rauschen anschwellen. Doch manchmal zerreißt ein Stöhnen, ein Surren oder Summen die Stille, ein Donnern wie bei einem Gewitter. Es krachen Kanonenschläge, es ertönen Nebelhörner, Trompeten oder Glocken, das Brummen eines Propellerflugzeugs. "Zwei Mal kam es ganz plötzlich in einer stillen Nacht - ein vibrierendes Dröhnen von solcher Lautstärke, dass ich schreien musste, damit mein Begleiter mich verstand. Schon bald fi elen weitere solcher Schallquellen, offenbar durch die ersten ausgelöst, in diese Musik ein, und zwar in einer so nahe verwandten Tonlage, dass sich das Ganze wie ein langsames Trommeln anhörte."

Die "singenden Dünen"

Dünen: Die Gesetze des Sandes

Ein Muster aus kleinen Wellen überzieht diese Dünen am Rande des Air-Gebirges im afrikansichen Niger. Kleine Sandkörner werden vom Wind über die Düne gerollt oder von anderen Körnchen vorwärtsgestoßen und bleiben auf lockeren Grund oder in kleinen Vertiefungen liegen. An solchen Hindernissen sammeln sich weitere Körner, bis sich Kämme und Windrippeln bilden, die quer zur anströmenden Luft stehen

So schildert der britische Wüstenforscher Ralph Alger Bagnold dieses Phänomen, mit dem er 1939 im Südwesten Ägyptens – mehr als 450 Kilometer von der nächsten Ansiedlung entfernt – konfrontiert wurde. Die merkwürdigen Geräusche mussten aus den Dünen ganz

in seiner Nähe kommen und irgendwie vom Sand ausgelöst worden sein. Das Rätsel, wie sie tatsächlich zustande gekommen waren, vermochte Bagnold damals nicht zu lösen. Das konnten auch andere Ohrenzeugen nicht, die mindestens 30 Mal von "singenden Dünen" in Wüsten und an Stränden in Afrika, Asien oder Nordamerika berichteten. Manche der Sandhügel quietschten im Bereich von 500 bis 2500 Hertz, andere dröhnten dumpf im Bassbereich zwischen 50 und 300 Hertz. Bald widmeten sich auch andere Forscher dem Phänomen der singenden Dünen, sie erdachten Experimen te und formulierten Hypothesen, rückten den Dünen mit Radar und Untergrundmikrofonen zu Leibe. Einer der dabei entstandenen Theorien zufolge werden die Töne erzeugt, wenn Körnerlawinen von ruhenden Teilen der Dünen abrutschen. Geringe Mengen Sand erzeugen offenbar recht klare Töne, größere abrutschende Sandplatten hingegen dröhnende Geräusche. "Singen" die Dünen, sind die beteiligten Sandkörner oft ungewöhnlich glatt. Auch der Trockenheitsgrad des Sandes scheint an dessen Orchestrierung beteiligt zu sein.

Sandhügel, die sich ihr eigenes Grab schaufeln

Die vermeintlichen Nebelhörner und Kanonenschläge zählen wohl zu den skurrilsten Effekten in den Wüsten der Erde. Aber auch andere Phänomene haben die Forscher beim Dünenstudium verblüfft. So gibt es Dünen, die mehr als 20.000 Jahre alt sind, und solche, die ihre Form alle sechs Monate ändern. Wieder andere legen im Laufe eines Jahres bis zu 30 Meter zurück - und überwinden manchmal sogar Dünen, die ihnen im Weg stehen. Und dann gibt es noch Sandhügel, die sich ihr eigenes Grab schaufeln. Ralph Alger Bagnold war vermutlich der Erste, der den Geheimnissen der Sandberge mit Experimenten im Windkanal nachspürte. Als Offizier der British Army Royal Engineers war er zwischen den Weltkriegen in Kairo und Indien stationiert. In seiner dienstfreien Zeit legte der studierte Ingenieur Tausende von Wüstenkilometern in Jordanien, auf dem Sinai sowie in der nordöstlichen Sahara zurück. Dabei wuchs sein Interesse an den Dünen, die mehr als 150 Meter hoch und mehrere hundert Kilometer lang sein können. Nach dem Abschied von der Armee konstruierte Bagnold am Imperial College in London Windkanäle und begann, mit Sand zu experimentieren. 1941 veröffentlichte er die Resultate unter dem Titel "The Physics of Blown Sand and Desert Dunes" – ein bis heute gültiges Standardwerk. Es enthält nicht nur Analysen und Erkenntnisse, die der Brite in der Wüste selbst gewonnen hat, sondern schildert auch den im Forschungslabor erkannten Mechanismus, der Sandkörner im Luftstrom vorantreibt und ohne den sich keine Düne auftürmt.

GEOlino Buchtipps zum Lesen
Staub für die Welt
Jedes Jahr fegt der Wind ein bis zwei Milliarden Tonnen Staub aus den Wüsten und trägt sie weit über den Erdball
GEOlino Buchtipps zum Lesen
Wie man den Sand zum Reden bringt
Mit modernen Methoden entlocken Forscher den Sandkörnern eine Fülle von Informationen: ihr Alter, ihre Herkunft und sogar das Klima, dem sie vor langer Zeit ausgesetzt waren

Dennoch bilden sich Wüstenberge, wenn Luftstöße einzelne Körner bis etwa in Hüfthöhe aufwirbeln, sie eine kleine Strecke durch die Luft vorantreiben und die wieder zurückfallenden Partikel weitere Körner in einer Art Spritz effekt aus dem Sand herausschleudern (Salt ation) oder vorwärtsstoßen (Reptation). Treffen die so herauskatapultierten Partikel auf glatten Untergrund, etwa nackten Felsen, dann hüpfen sie wie Pingpongbälle auf einem Betonboden weiter. Landen sie dagegen auf nachgiebigem, lockerem Untergrund, verlieren sie ihre Bewegungsenergie und bleiben liegen. Und schon ein paar Sandpartikel, die sich auf hartem Untergrund an einer Stelle häufen, können dort weitere auftreffende Körner abbremsen. Die Folge: Immer mehr Körnchen sammeln sich an und bilden einen Untergrund, der weitere Sandkörner einfängt. Es kommt zu einem sich selbst verstärkenden Prozess - eine Düne beginnt zu wachsen. Damit aber die kleinen Partikel überhaupt hüpfen können, muss die Luft sehr trocken sein - Feuchtigkeit würde sie aneinanderkleben lassen. Deshalb entstehen Dünen überwiegend in Wüstengebieten sowie an Meeresküsten, wo der Wind den Sand schnell trocknet.

Die Größe der Körner ist entscheidend

Entscheidend ist zudem die Größe der Körner. Übertrifft ihr Durchmesser zwei Millimeter, kann der Luftstrom diesen Kies kaum anheben. Sind sie kleiner als 0,063 Millimeter – also das, was Geologen Schluff und Staub nennen (als Staub werden Körner definiert, die kleiner als 0,002 Millimeter sind) –, trägt die Luftbewegung sie für eine Sandhügelbildung zu weit davon. Nur zwischen zwei und 0,063 Millimeter großer Sand hüpft. Ob die Körner aus Quarz, Kalk oder Gips bestehen, spielt dabei kaum eine Rolle. Häufig sammeln sich die tanzenden Sandkörner auch hinter einem Hindernis - etwa einem Felsbrocken oder einer Pflanzengruppe. Es entsteht eine Sandwehe, die nun selbst zur Falle für Partikel wird: In ihrem Windschatten lagern sich weitere Körner ab, und sie wächst allmählich zur Düne heran. Geomorhologen nennen solche, an einem Hindernis entstehende Formen "gebundene Dünen". Zu ihnen gehören unter anderem:

  • Dünen, die an Pflanzen entstehen, welche den Sand einfangen und durchwurzeln (Kupste oder Nebka)
  • Parabeldünen, die sich auf leicht bewachsenem Boden bilden und einen in Windrichtung ausgezogenen Bogen formen. Die Erklärung: Sandkörner in der höheren Mitte des Bogens können schneller wandern, weil sie die Vegetation hier völlig bedecken, also nicht von Bewuchs behindert werden. Dagegen ragen an den schmaleren Rändern der Parabel die Pflanzen aus dem Sand und halten die Körner fest
  • Leedünen, die sich im Windschatten eines Hindernisses bilden und mehrere Kilometer lang werden können.
Dünen: Die Gesetze des Sandes

Wie riesige Tentakel strecken sich die Kämme der Sterndünen in die endlose Weite der Rub al-Khali auf der Arabischen Halbinsel

Daneben unterscheiden Wissenschaftler mehrere Formen "freier Dünen". Etwa:

  • Querdünen, die im 90-Grad-Winkel zur Windrichtung verlaufen und entstehen, wenn der Luftstrom überwiegend aus einer Richtung weht
  • komplexere Varianten der Querdünen (Aklé), deren Kämme kurvenförmig und gegenläufig geschwungen verlaufen und ganze Dünenfelder ohne nackten Boden dazwischen bilden. Sie formen sich, wenn der Wind im Laufe der Jahreszeiten aus zwei entgegengesetzten Richtungen bläst
  • Längsdünen, die sich bilden, wenn zwar eine grobe Windrichtung vorherrscht, die Winde jedoch häufig wechseln. Ihre Kämme sind längs der vorherrschenden Windrichtung ausgerichtet
  • Sicheldünen (Barchane). Sie sind wie Halbmonde geformt – und die einzige Dünenform, die im Ganzen wandert.

Wind ist für die Wanderung der Sanddünen ausschlaggebend

Seit bald 40 Jahren studiert die Kölner Geomorphologin Helga Besler - inzwischen führend in dieser Forschungsrichtung - Dünen in den Wüsten der Erde. Vor allem an den Barchanen hat sich ihr Forscherehrgeiz entzündet. Mittlerweile ist der Wissenschaftlerin ziemlich klar, was geschehen muss, damit sich ein zunächst nur rund 30 Zentimeter hohes Sandhäufchen in Bewegung setzt und zu einem 20 bis 30 Meter hohen, zig Tonnen schweren Ungetüm heranwächst. Zunächst muss starker Wind – der stets nur aus einer Richtung weht – die Sandkörner auf der flachen, dem Wind zugewandten Luv-Seite der Düne in Bewegung setzen und sie diese hinauftreiben.

Die Spitzen eilen der Düne voraus

Auf dem Kamm angekommen, stürzen die Sandkörner den Hang auf der windabgewandten Lee-Seite hinunter und bleiben dort in lockerer Formation liegen. Schließlich werden sie von neuen herabstürzenden Körnern bedeckt: Die Düne hat sich ein Stück verlagert. Weil an den Außenseiten des Sandkörpers weniger Material vorhanden ist, werden die Partikel dort schneller umgesetzt. Deshalb eilen die Spitzen der Düne voraus, und es entsteht die typische Sichelform. Auf der steilen, windabgewandten Seite bilden sich zudem besondere Luftwirbel. Sie saugen vor der Düne liegende Partikel an und "fegen" sie in den Sandkörper hinein. Das funktioniert jedoch nur auf hartem Untergrund. Ist der Boden in Lee dagegen locker, kommt es zum Ende der Düne.

Zeitzeugen einer Vergangenheit

Dann nämlich beginnen die Wirbel den Sand vor der Düne auszuheben und ein Loch zu graben. Im Extremfall verschwindet die Sicheldüne in dieser selbst geschaufelten Grube: Sie löscht sich aus. Manchmal vermögen kleine Sicheldünen sogar auf größere, langsamere Dünen hinauf- und über sie hinwegzukriechen: Die kleinere kommt schneller voran (was sich sogar in einer mathematischen Formel ausdrücken lässt), weil ihr Volumen kleiner ist und ihre Sandmasse vom Wind schneller umgewälzt wird. In der chinesischen Takla Makan stieß Helga Besler 1986 auf einen Barchan, der mit einer feinen Tonschicht überzogen war. Sie untersuchte die Oberfläche und erkannte, dass die Düne eine Zeit lang komplett vom Wasser bedeckt gewesen sein musste – so lange jedenfalls, dass sich die Tonsedimente auf ihr ablagern konnten.

Das Rätsel der Megadünen

Offenbar hatte Schmelzwasser die Sicheldüne unter sich begraben, und sie war wieder trockengefallen, ohne dass sie dabei ihre Form verlor. Die Forscherin erwartet, dass die Düne sich erneut in Bewegung setzt - sobald der Wind die jetzt fest auf ihr verbackene, von Trockenrissen durchzogene Tonschicht wieder abgetragen hat und die Sandkörner locker genug sind, um vom Luftstrom angehoben zu werden. Ein paar Jahre zuvor war es Helga Besler in der südwestafrikanischen Namib gelungen, das Geheimnis der Draa zu entschlüsseln: Diese Giganten der Wüste – mehr als einen Kilometer breit, gut 100 Meter hoch und bis zu einigen 100 Kilometern lang – verlaufen meist parallel zueinander im Abstand von etwa zwei Kilometern, und auf ihnen sitzen häufig kleinere Dünen. Jahrzehntelang wurde gerätselt, wie solche Megadünen entstehen. Die Größe war unerklärlich, die regelmäßigen Abstände erschienen merkwürdig, der hohe Anteil an sehr groben Sandkörnern war ungewöhnlich, und die Ausrichtung der Gebilde widersprach den vorherrschenden Windrichtungen.

Helga Besler überlegte: Waren die Draa vielleicht Relikte der letzten Kaltzeit? Einer Epoche also, in der die Winde stärker wehten? Prähistorische Dünen? Die Fachwelt war skeptisch. Schließlich stieß die Kölnerin auf das Modell eines Meteorologen, das die Bildung von Wolkenwalzen in der Atmosphäre wiedergab. Es beschrieb gegenläufige, spiralförmige Luftströmungen, die in der Atmosphäre aus einer Kombination von kräftigen horizontalen Winden und aufsteigender Heißluft entstehen. In der letzten Kaltzeit, so folgerte Helga Besler, hätten sich solche gegenläufigen Windspiralen auch dicht über dem Erdboden bilden können. Denn damals waren die Winde anderthalb bis zweimal stärker als heute. Und Eispanzer lagerten bis in die geographische Breite von Köln, sodass die eiskalte Luft der sehr warmen über dem Äquator weit näher war als heutzutage.

Zeitzeugen einer fernen Vergangenheit

Die Folge waren stärkere Druckunterschiede und damit heftigere Luftbewegungen. Dort, wo sich zwei solche Luftspiralen aufeinander zu drehten, häuften sie den Sand an. Dort, wo sie sich voneinander fort drehten, fegten sie den Boden leer. Inzwischen vorgenommene Altersbestimmungen an Sandkörnern bestätigten die Theorie der Kölner Forscherin: Die Megadünen haben sich tatsächlich vor mindestens 10.000 bis 20.000 Jahren aufgetürmt. den Tropen - Monsunwinde - zur Großen Sandsee in rund 26 Grad nördlicher Breite vor. Somit herrschten dort unterschiedliche Windsysteme, die zu unterschiedlichen Klimazonen gehörten. Also sind die sandigen Riesen tatsächlich Zeitzeugen einer fernen Vergangenheit. Und ihr Zeugnis wurde entziffer bar, weil die Forscher gelernt haben, die Sprache des Sandes zu verstehen.

GEO.de Newsletter