Der singende Sand: Dünen, die kilometerweit einen Ton dröhnen
Rutschen Sie an einem trockenen Sommernachmittag die steile Flanke der Sand Mountain in Nevada hinunter, und der ganze Hang antwortet. Für einige Sekunden gibt der Hang einen tiefen, orgelartigen Ton von sich, der aus dem Boden aufzusteigen und in der Luft zu hängen scheint, tief genug, um in den Rippen zu summen. Legen Sie die Handfläche flach auf den Sand, und der Klang wird ebenso gespürt wie gehört, ein langsames Pochen, das durch die Körner in die Hand steigt. Wanderer greifen jedes Mal zu denselben Vergleichen: ein Brummen, ein Stöhnen, ein fernes Cello, ein tief fliegendes Propellerflugzeug irgendwo unter dem Horizont. Die Düne singt, und sie verunsichert Reisende seit mindestens sieben Jahrhunderten.
Irgendwann um 1275 beschrieb Marco Polo beim Durchqueren der Badain-Jaran-Dünen am Rand der Gobi eine Wüste, die bewohnt schien. Die Luft, schrieb er, füllte sich mit dem Klang von Instrumenten, Trommeln und dem Getöse unsichtbarer Heere. Reisende seiner Zeit schoben es auf Geister des Sandes, die Männer angeblich beim Namen von der Karawane fortriefen. Polo war nicht der einzige Chronist, der den Klang festhielt. Mittelalterliche arabische Autoren, chinesische Chronisten und Wüstennomaden auf drei Kontinenten hinterließen dasselbe Zeugnis, jeder in seiner Sprache.
Sechs Jahrhunderte später notierte Charles Darwin, als er während der Reise der Beagle in Chile an Land ging, dasselbe Erstaunen. Seine Gewährsleute berichteten von einem brüllenden Hügel, den sie El Bramador nannten, den Brüller, der ertönen sollte, sobald der Sand gestört wurde. Wie Polo berichtete Darwin von etwas, das die Einheimischen als gewöhnlichen Zug ihrer Landschaft behandelten und nicht als Wunder.
Heute ist der Effekt an rund 35 Wüstenorten dokumentiert. Darunter sind die Kelso-Dünen und die Eureka-Dünen in Kalifornien, die Sand Mountain in Nevada, die Badain-Jaran-Megadünen in China und die Küstendünen des Oman. An all diesen Orten wiederholt sich dasselbe Grundrezept: eine große Düne mit steiler Leeseite, trockenes Wetter und lockerer Oberflächensand.
Moderne Aufnahmen haben die Reiseerzählung in eine Reihe von Zahlen verwandelt. Eine dröhnende Düne erzeugt ein anhaltendes Brummen, das minutenlang stehen und kilometerweit tragen kann. Es ist um einen dominanten Ton herum gebaut, meist zwischen 70 und 105 Hertz, mit schwächeren Obertönen darüber. Nahe am Hang kann der Klang 100 Dezibel überschreiten, laut genug, um ein Gespräch zu übertönen, weshalb frühe Zeugen zu Heeren und Instrumenten griffen, um ihn zu beschreiben. Die Geräte bestätigen den Eindruck: Es ist ein echter musikalischer Ton, erzeugt von losen Körnern und sonst nichts. Hier gibt es keine Kehle, keine Saite, kein Rohrblatt und keine Pfeife. Strandsand ist ein eigenes und geringeres Phänomen, das kurze hohe Quietschen unter dem Fuß, das manche Küsten hervorbringen. Das tiefe Dröhnen einer Wüstendüne ist seltener, lauter und weitaus seltsamer.
Der Klang beginnt, wenn Sand die steile Leeseite einer großen Düne hinabrutscht und lose Körner über ein festeres Bett darunter scheren. Lange war die schwierigste Frage nicht die Lautstärke, sondern die Kohärenz. Millionen Körner rollen unabhängig voneinander, und dennoch erzeugen sie gemeinsam einen einzigen klaren Ton statt eines formlosen Zischens; ein Geröllabgang brüllt, er summt nicht. Die Messungen deuten auf Synchronisation. Die Körner fallen in Gleichschritt und schwingen im Einklang, sodass ein ganzer Flecken der Oberfläche gemeinsam pulsiert wie die Membran eines riesigen Lautsprechers und die Luft im Takt schiebt. So weit stimmen die meisten Forscher heute überein.
Die anschließende Laborarbeit ist der Punkt, an dem die Aufzeichnungen präzise werden. Die französischen Physiker Stéphane Douady und Simon Dagois-Bohy nahmen zwei sehr verschiedene Dünen auf: eine bei Tarfaya in Marokko, die einen sauberen Ton nahe 105 Hertz summte, und eine andere bei Al-Askharah im Oman, die nur über ein verschmiertes Frequenzband knurrte. Sie brachten den omanischen Sand zurück in ihr Labor in Paris und ließen ihn eine kontrollierte Rutsche hinablaufen. Als sie ein schmales Kornband zwischen etwa 200 und 250 Mikrometern aussiebten, sang der lärmende Sand einen klaren Ton. Gleichmäßige Körner ergaben eine reine Tonhöhe, gemischte Größen ein Durcheinander. Sie berichteten, die Frequenz folge der Scherrate der fließenden Schicht und wachse mit dem Korndurchmesser, sodass gröberer Sand tiefer singt.
Am Caltech verbrachten Nathalie Vriend und Melany Hunt ganze Saisons damit, die dröhnenden Dünen Kaliforniens mit im Hang vergrabenen Geophonen zu vermessen. Ihre Felddaten zeigten, dass die Dröhnfrequenz dem Partikeldurchmesser nicht folgte. Stattdessen schlugen sie vor, dass einige Dutzend Zentimeter trockener, lockerer Oberflächensand über festerem feuchtem Sand als natürlicher Wellenleiter wirken: ein Resonanzkanal, dessen Tiefe und innere Wellengeschwindigkeiten den Ton festlegen, so wie die Länge einer Orgelpfeife ihre Tonhöhe festlegt. Unterhalb einer Grenzfrequenz, sagten sie, könne sich überhaupt kein Schall ausbreiten, was erklären würde, warum eine Düne eine bestimmte Größe erreichen muss, bevor sie dröhnt. Das Modell erklärte auch eine jahreszeitliche Verschiebung, denn die feuchte Schicht steigt und fällt im Lauf des Jahres, und die Kanaltiefe ändert sich mit ihr. Ihr Aufsatz von 2007 trug den Titel 'Solving the mystery of booming sand dunes'.
Innerhalb weniger Monate veröffentlichte ein dritter Physiker, Bruno Andreotti aus Paris, in derselben Zeitschrift einen förmlichen Kommentar, der fast jeden Schritt bestritt. Seine eigenen Feldaufnahmen, gewonnen durch das Auslösen von Lawinen an marokkanischen Dünen, führten ihn zu der Auffassung, dass die Dröhnfrequenz von der Scherrate an der fließenden Oberfläche selbst bestimmt wird. Zusammenstöße zwischen Körnern, schrieb er, regen elastische Wellen an, die über die Dünenkuppe laufen und dann rückkoppelnd genau jene Zusammenstöße synchronisieren, die sie erzeugt haben, eine sich selbst verstärkende Schleife, die er Wellen-Teilchen-Modenkopplung nannte.
2012 kam ein weiterer harter Befund hinzu. Dagois-Bohy, Douady und ihre Kollegen schütteten singenden Sand über eine Rutsche auf eine harte Laborplatte und brachten ihn zum Dröhnen, ganz ohne Düne, ohne vergrabene feuchte Schicht und ohne jeden Wellenleiter darunter. Ihr Aufsatz trug den Titel 'Singing-sand avalanches without dunes'.
Neben der Physik läuft eine Reihe gut bezeugter Bedingungen. Der Gesang verlangt gut sortierte, gerundete, kieselsäurepolierte Körner, und manche Forscher verweisen auf einen dünnen Firnis aus Eisen und Kieselgel auf der Oberfläche jedes Korns. Vor allem verlangt er Trockenheit. Etwas Feuchtigkeit lässt die Körner aneinander haften, und der Ton stirbt. Dieselbe Düne, die in trockener Hitze dröhnt, verstummt einen feuchten Winter lang und findet ihre Stimme wieder, wenn der Sand austrocknet. Befeuchten Sie eine singende Probe im Labor, und sie verstummt; trocknen Sie sie, und der Ton kehrt zurück. Es sind Fälle bekannt, in denen eine von einer dröhnenden Düne nach Hause gebrachte Probe monatelang ihre Stimme verlor und sie dann wiedererlangte.
Schlussfolgerungen und offene Fragen
Drei Erklärungen liegen auf dem Tisch, und jede passt zu einem Teil der Belege, während sie über den Rest stolpert.
Die erste, vorgeschlagen von Douady und Dagois-Bohy, besagt, dass der Ton in die Körner selbst eingeschrieben ist und von Korngröße und Scherrate der fließenden Schicht bestimmt wird. Ihre Stärke ist die Übertragbarkeit: Schütten Sie den richtigen Sand irgendwohin, und er sollte singen, mit oder ohne Düne, genau wie es die Pariser Rutschenversuche zeigten. Ihre Schwäche ist, dass sich die sorgfältigen Caltech-Messungen an echten Dünen überhaupt nicht am Korndurchmesser ausrichten ließen.
Die zweite, vorgeschlagen von Vriend und Hunt, besagt, dass die Tonhöhe von einem oberflächennahen Resonanzkanal aus trockenem Sand über feuchtem festgelegt wird. Sie erklärt sauber die jahreszeitliche Verschiebung des Tons und warum eine Düne eine bestimmte Größe erreichen muss, bevor sie dröhnt. Ihre Schwäche ist das Ergebnis von 2012: Eine Lawine auf einer harten Platte dröhnte ohne Düne und ohne feuchte Schicht darunter. Auch Feldberichte, wonach sich der Ton kaum ändert, gleichgültig wie die Lawine ausgelöst wird, passen schlecht zu einer reinen Resonanzerklärung.
Die dritte, vorgeschlagen von Andreotti, besagt, dass sich die singende Oberfläche aus der Dynamik der Strömung selbst stimmt und nicht aus einer unterirdischen Struktur. Sie teilt den Unterschied und stimmt mit einem großen Teil der Felddaten überein, ist aber von den dreien am schwersten sauber zu prüfen und hat die anderen Lager nicht überzeugt.
Manche argumentieren, alle drei hielten Teile desselben Tieres in Händen: Die synchronisierte Lawine erzeuge den Klang, und die oberflächennahe Struktur färbe ihn dort, wo es sie gibt. Das wäre ein ordentlicher Ausgleich, doch niemand hat den Laborversuch sauber mit der Wüste vernäht, und diese Naht ist noch offen.
Unter dem Streit liegt eine ältere Frage, die kein Lager geschlossen hat. Warum singt eine Düne, während ihre Nachbarin, aus demselben Kornvorrat vom selben Wind aufgeworfen, stumm bleibt? Trockenheit wirkt entscheidend, und doch hat keine veröffentlichte Studie die Mikroklimata der stummen Dünen gegen die der singenden kartiert. Eine Theorie besagt, die eigentliche Seltenheit liege weniger im Sand als in dem schmalen Wetterband darüber; dann könnte ein stummer Hügel durchaus tauglichen Sand tragen und nur eine lange Dürre vom Dröhnen entfernt sein. Die Idee ist prüfbar und, soweit die veröffentlichte Literatur zeigt, ungeprüft.
Die offenen Fragen sind leicht aufzuzählen und schwer zu beantworten. Sind eine Küstendüne im Oman und eine Wüstenmegadüne in China überhaupt dasselbe Instrument, oder singen sie aus wirklich verschiedenen Gründen, die Forscher weiterhin unter ein Gesetz zwingen? Warum ist der Ton so unempfindlich dagegen, wie eine Lawine beginnt? Welche Rolle spielt der Überzug aus Eisen und Kieselgel, wenn überhaupt? Und warum kann eine Probe im Glas monatelang ihre Stimme verlieren und sie dann wiederfinden?
Legende und Labor haben sich auf halbem Weg getroffen, ohne sich ganz die Hand zu geben. Die Wüste ist nicht verwunschen, und das Wunder, das Marco Polo beunruhigte, läuft auf Körner, Scherung und Resonanz hinaus. Aber es ist ein gelöstes Rätsel eigener Art, bei dem Forscher den Klang auf Kommando aus einem Eimer gesiebten Sandes herbeirufen können und sich dennoch nicht einig sind, was genau sie da hören.