Zingend zand

Dat woestijnzand geluid kan voortbrengen is al eeuwen bekend. Het geheim: een periodieke ordening van de korrels.

De videopresentatie van Stephane Douady is hilarisch én indrukwekkend. Drie mannen roetsjen op hun achterste en wijdbeens een enorme woestijnduin af, peddelend met hun handen en grijnzend. Ondertussen laten de luidsprekers een machtig gebrul horen dat doet denken aan het geluid van bommenwerpers in oorlogsfilms. ``Dat doet het duin zelf'', verzekert Douady zijn publiek, zo'n dertig natuurkundigen. Op een symposium in het Leidse universitaire Lorentz Center praten ze anderhalve week over zand, korrels en stof, ofwel `granulaire materialen'.

Hoe simpel de losse korrels van deze stoffen op zichzelf ook zijn, in grote hoeveelheden kunnen ze een verbazingwekkende hoeveelheid lang niet volledig begrepen verschijnselen laten zien: lawines, erosie, regelmatige patronen bij trillingen, horten en stoten als ze eigenlijk als een vloeistof zouden moeten vloeien. En dus het zingende zand. ``Als je je oor op het zand legt, komt het geluid tot de pijngrens'', zegt Douady, nadat hij het geluid zachter heeft gezet.

Hij en zijn collega Bruno Andreotti, van de Ecole Normale Supérieure in Parijs, denken een nieuwe verklaring voor het nog onbegrepen verschijnsel te hebbem. Andreotti ontdekte het zoemende duin per ongeluk toen hij met Douady de vorming en het gedrag van duinen onderzocht in het zuiden van Marokko. Overigens had hij daarmee bij lange na geen primeur, want het zingende zand is al eeuwen bekend. Talloze reizigers, onder wie Marco Polo, kroniekschrijvers en wetenschappers berichtten al over het verschijnsel. Brullend zand is vooral te vinden in afgelegen, kurkdroge woestijngebieden. Ook is er een hele reeks zingende stranden, die echter hogere geluiden maken.

zuiver en constant

De toon van brommende duinen heeft, zo blijkt uit opnamen, een frequentie van ongeveer honderd hertz, en is opvallend zuiver en constant. Geesten en andere bovennatuurlijke oorzaken zijn nogal eens als aanstichter genoemd, en volgens mensen die het geluid zelf gehoord hebben is dat helemaal niet verwonderlijk. Natuurwetenschappers leveren sinds de negentiende eeuw theorieën: vulkanische activiteit, ruwe stenen ondergronden en ondergrondse bronnen zouden ermee te maken hebben.

Recenter bleek het zand zelf een grote rol te spelen. Zingend zand laat ook buiten de woestijn een keur aan geluidseffecten horen. Douady demonstreert het met een meegebracht koekblik vol Saharazand, met de quasi-verbaasde blik van een goochelaar. Als hij het ronddraait, klinkt er een zoemend geluid, als van een ronddraaiende slinger. Bij het overgieten van het zand in een ander blik klinkt het geluid van een zacht piepende deur.

Microscoopbeelden van de korrels laten een paar karakteristieke eigenschappen zien: de korrels zijn mooi rond, met een ruw oppervlak, en hebben zo'n beetje dezelfde afmetingen. Verder blijkt vocht een cruciale rol te spelen. Meegenomen zand verliest na een paar weken zijn muzikale eigenschappen, maar die zijn, ontdekten de Fransen, te regenereren door het zand onder een UV-lamp te drogen. Een groep Canadese wetenschappers liet vijf jaar geleden zien dat een dun laagje vocht in de buitenste laag van de korrels cruciaal is.

Maar hoe het brommen nu precies werkt, bleef onduidelijk. Douady en Andreotti denken echter dat ze het weten. De grote uniformiteit in de maat van de korrels zou ertoe leiden dat ze in lawines plaatselijk in een vluchtig kristalrooster terechtkomen. De korrels stapelen zich even als sinaasappels in een kistje.

Zulke structuren zijn al gevonden in videobeelden van granulaire materialen met grotere korrels. De geordende zandkorrels zouden vervolgens collectief verder rollen, waarbij ze recht boven elkaar komen te staan, gerangschikt als soldaten in het gelid. In deze configuratie nemen ze meer ruimte in en past er meer lucht in de ruimte tussen de korrels.

Door de voortrazende lawine wisselen deze twee toestanden elkaar snel af, waardoor de lucht afwisselend naar binnen en naar buiten wordt geperst. Dat, stellen de Fransen, veroorzaakt de ongekend zuivere toon van zand.

Opnames van een bijzonder zuivere versie van het duingeluid lijken hen gelijk te geven. Het geordend tuimelende zand zou een traject van kleine halfronde boogjes af moeten leggen, als een kinderwagen die over houten balken rijdt. De golfvorm van het zingende zand heeft precies dezelfde vorm van aan elkaar geplakte boogjes.

roetsj-ervaringen

Ook hebben de onderzoekers nagerekend dat de valsnelheid en weerstand van de korrels goed overeenkomt met de toon van honderd hertz, en dat de voor hun theorie vereiste diepte van de schuivende lawine, zo'n tien centimeter, aardig klopt met hun roetsj-ervaringen op de Marokkaanse duinen. Eén probleem, geeft de Fransman toe, ligt nog open: hoe komen de korrels er toe alles zo mooi synchroon te doen? De ruwheid van het oppervlak zou kunnen helpen ze als tandwielen in elkaar te laten grijpen, maar het keurige in de pas lopen van de korrels vereist een vollediger verklaring.

Het doet een beetje denken aan het keurige in de maat lopen van lichtgolven in een laser, vandaar dat de term `akoestische laser' gelanceerd is. ``We werken er hard aan om hier de vinger op te leggen'', verzekert Douady, ``dit is voor ons zeer serieus onderzoek, al lijkt het frivool. Als ons idee klopt, hebben we een nieuw natuurlijk mechanisme voor het produceren van een zuivere toon gevonden.''

Dat zou enig opzien baren, omdat zulke mechanismen op de vingers van twee handen te tellen zijn. Wezenlijk anders zijn bijvoorbeeld de luchtwervelingen van de blokfluit, de aangeslagen harpsnaar en de onder druk openende en dan weer sluitende lippen van de trombonist. Dan is er de vioolsnaar, die steeds een stukje meebeweegt met de strijkstok, en dan weer terugschiet: het stick-slip mechanisme.

Douady vermoedt dat alleen de lage woestijntoon aan hun nieuwe mechanisme te danken is. De Fransen zijn bezig is nog veel meer zand, tonnen wellicht, uit Marokko naar Parijs te halen voor experimenten op grotere schaal. Ook staat een nieuwe expeditie naar Marokko op stapel. Waarheen die precies gaat, wil Douady niet kwijt. ``Straks gaan er ook andere wetenschappers heen'', zegt hij op geheimzinnige toon. ``We willen die plek nog even voor onszelf houden.''