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Flugsand

Geologie

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Basiswissen｜ Einführung｜ Nötige Windgeschwindigkeiten｜ Laminare und turbulente Strömung｜ Nasser Sand｜ Trockener Sand｜ Formel｜ Erfahrungswerte｜ Dünenbildung｜ Strandseifen｜ Elektrizität｜ Quaestiones｜ Fußnoten


Basiswissen


Wird feiner Sand vom Wind transportiert, spricht man von Flugsand.[1] Die Korngrößen liegen dabei meist zwischen einem Achtel und einem Viertel Millimeter Größe.[2][18] In der Landwirtschaft kann abgelagerter Flugsand Äcker unfruchtbar machen.[2] An Küsten hingegen trägt er zum Aufbau von Dünen bei.[3]

Einführung


Wer zwischen der Kanalküste bei Calais und dem dänischen Jütland Urlaub an der Nordseeküste macht, wird schon bei mäßigem Wind der Stärke 5 am Strand Flugsand sehen und erleben können. An den Füßen spürt man oft deutlich die schneidende Wirkung des Sandblasens. Die Sandkörner vollziehen dabei Flugbewegungen in Parabelform, man spricht von einer sogenannten Saltation (Sprungbewegung).[5]



Flugsand am Oststrand der Nordseeinsel Wangerooge, im Juli 2023.[6] Wo es kleinere Erhebungen im Boden gibt, lagert sich der Sand im Lee, das heißt im Windschatten ab. So entstehen erste kleine Embryonaldünen.

Wo der Flugsand an der Küste in den Winschatten von kleinen Bodenerhebungen kommt, wird er abgelagert. In der Geologie spricht man einer Sedimentation.[4] So entsteht oft eine erste kleine Embryonaldüne ↗

Nötige Windgeschwindigkeiten


Für die für Flugsand nötigen Windgeschwindigkeiten geben verschiedene Quellen sehr unterschiedliche Werte an. Der Grund für die Abweichungen ist nicht erkennbar.

Laminare und turbulente Strömung


Dass Sandkörner sich vom Boden erheben und vom Wind mitgerissen werden können, sind einige Voraussetzungen nötig. Zum Verständnis der physikalischen Vorgänge ist es wichtig, zwischen einer laminaren Strömung der Luft nahe an der Oberfläche sowie einer turbulenten Strömung weiter oben zu unterscheiden. Bei einer laminaren Strömung des Windes gibt es keine nennenswerte Verwirbelungen. Bei einer turbulente Strömung hingegen bewegt sich die einzelnen Luftteilchen nicht ständig in dieselbe Richtungen. Nahe an der Oberfläche des Bodens strömt die Luft oft eher laminar. Damit kann sie dort aber auch nur schlecht Sandkörner aufgreifen. Erst wenn Sandkörner sozuagen in die turbulente Luftschicht hineinragen, werden sie mitgerissen.[16]

Nasser Sand


Flugsand entsteht an der deutschen Nordseeküste vor allem über flachen Strandflächen. Dort wo täglich die Gezeiten mit Ebbe und Flut über den Sand hinweg gehen spricht man von einem Nassen Strand.[7] Die Sandkörner sind dort meist noch mit Wasser benetzt. Adhäsionskräfte halten die Körner dabei fest zusammen[14]: feuchte Sandburgen halten ihre Form, trocke Sandburgen zerrieseln sehr schnell. Um einzelne Sandkörner aus dem Nassen Sand heraus zu lösen und in die Luft zu heben sind Windstärken von mindestens 7 Beaufort nötig. Das entspricht einer Geschwindigkeit des Windes von mindestens 50 km/h oder fast 14 m/s.[7] Fliegender Sand über nassen Sandflächen hebt sich oft durch die deutlich hellere Färbung hervor. Während der nasse Sand durch die Feuchtigkeit dunkel erscheint, wirkt der fliegende und schon getrocknete Sand deutlich heller. Das kann man sehr gut mit dem bloßen Auge erkennen.

Trockener Sand


Als Trockenen Strand bezeichnet man den Bereich von der mittleren Tidenhochwasserlinie (MThw) bis zum "Fuß der Inseldünen".[7] Dort wird der Sand nur von Sturmfluten überspült, ist also die meiste Zeit des Jahres über, abgesehen von Regen und Tau, nicht feucht. Der dort anzutreffende trockene Sand wird "bereits ab Windstärken 4 bis 5 Bft [Beaufort] (ca. 23 bis 30 km/h oder ab etwa 6,4 m/s) ausgeblasen."[7]

Formel


Die Grenzgeschwindigkeit vₛ zur Kornaufnahme vom Boden, für eine "einsetzenden Partikelbewegung"[17] hängt ab von der Korngröße D, der Schwerebeschleunigung g und dem Unterschied der Dichte der Partikel ρP und der Dichte der Luft Luft ρL. Für Körner > 0,1 mm gilt:[14]

vₛ = 0,1 · √[g·D·(ρP - ρL)/ρL]

In Worten: die Grenzgeschwindigkeit vₛ ist gleich dem 0,1fachen oder einem Zehntel der Wurzel aus dem Quotienten des Produktes der Erdbeschleunigung g, dem Korndurchmesser D und der Differenz von Partikeldichte ρP mit der Luftdichte ρL mit der Dichte der Luft ρL.

Für Sande auf der Nordseeinsel Wangerooge sind typische Korngrößen (jeweils der Median) an der Niedrigwasserlinie von 200 µ bis 300 µ (Mikrometer = Millionstel Meter), an der Hochwasserlinie deutlicher enger in der Verteilung bei 200 µ und im Vordünenbereich ebenfall knapp über 200 µ. Von der See zu den Dünen hin wird die Korngrößenverteilung immer enger. Das lässt darauf schließend, dass von See her kommend vor allem Korngrößen um die 200 µ oder rund 0,2 Millimeter angesammelt werden.[16] Damit kann man jetzt die Grenzgeschwindigkeit für Korngrößen über 0,08 mm abschätzen:

  • vₛ = 0,1 · √[g·D·(ρP - ρL)/ρL) | Einsetzen
  • vₛ ≈ 0,06 m/s

Erfahrungswerte


Es wurden mehrere Untersuchungen durchgeführt, was die mindestens nötige Geschwindigkeit des Windes, seine sogenannte Grenzgeschwindigkeit ist, sodass er Körner des Sandes mit sich forttragen kann. Die Ergebnisse von insgesamt vier solchen Studien wurden in einem gemeinsamen Graphen zusammengefasst. Aus diesem Graphen wurden die folgenden Werte mehr oder minder genau (Ablesegenauigkeit) entnommen:[17]

  • 0,01 mm Korndurchmesser: mindestens 0,35 m/s
  • 0,04 mm Korndurchmesser: etwa 0,15 bis 0,25 m/s
  • 0,10 mm Korndurchmesser: etwa 0,15 bis 0,21 m/s (Tiefpunkt)
  • 0,20 mm Korndurchmesser: etwa 0,18 bis 0,34 m/s
  • 0,40 mm Korndurchmesser: etwa 0,24 bis 0,45 m/s
  • 1,00 mm Korndurchmesser: etwa 0,42 bis 0,56 m/s
  • 2,00 mm Korndurchmesser: mindestens 0,6 m/s

Dünenbildung


Fegt der bodennahe Wind über eine flache Fläche ohne Hindernisse, so können die Sandkörner zwar hin und wieder zu Boden fallen. Sie werden aber immer wieder aufgenommen und dann weiter transportiert. Man bezeichnet eine solche springende Art des Sandflugs auch als Saltation. Hinter kleinen Hindernissen aber, etwa aufragenden Muschelschalen, gibt es einen Windschatten. Dort ist die Strömungsgeschwindigkeit des Windes plötzlich so gering, dass sich Sandkörner dauerhaft auf dem Boden ablagern. Es entsteht zunächst eine kleine, oft nur Millimeter hohe Sandfahne. Wächst diese weiter an, so entsteht daraus eine noch unbewachsene Kleinstdüne, eine sogenannte Embryonaldüne ↗

Strandseifen


In der Geologie bezeichnet man durch Wind oder Strömung angehäufte Wertminerale oft als Seifen. Im Sand der Nordseeküsten sind unter anderem sogenannte Schwerminerale enthalten. Da die Körner dieser Schwerminerale tatsächlich schwerer sind als die große Mehrzhahl der Sandkörner aus Quarzit, werden sie vom Wind nicht so leicht in die Luft gehoben. Dort wo der Wind also die leichteren Sandkörner wegbläst, bleiben die oft "schwarz bis dunkelgrau und schwach rötlich gefärbten" Schwerminerale als eine sogenannte "Residualbildung" von nur einem Korn oder dünnen Bändern oder auch als "10 bis 20 cm dickes Paket" zurück. Solche "Schwermineralanreicherungen" bezeichnet man auch als Strandseifen.[7] Je nach Weltmarktpreis für die Minerale, zum Beispiel als Titanerz[8] können sie sogar abbauwürdig werden.

Solche großen Anreicherungen gibt es aber an der deutschen Nordseeküste nicht. Zukünftig möglicherweise abbauwürdige Vorkommen liegen in den Landkreisen Friesland und Cuxhaven. Dort hat man in 35 bis 70 Metern Tiefe bis zu 15 Meter mächtige Anreicherungern entdeckt, die aber zurzeit nicht abbauwürdig sind. Die Lagerstätte bei Cuxhaven enthält gut 10 Millionen Tonnen Schwerminerale, vor allem Ilmenti, Rutil und Zirkon. "Rutil und Ilmenit dienen zur Herstellung von Titanweiß für die Farben-, Papier- und Kunststoffindustrie. Zirkon ist Bestandteil von Formsanden für Gießereien und wird für die Herstellung von Spezialgläsern und in der keramischen Industrie eingesetzt."[12]

Elektrizität


Schon im Jahr 1860 beschrieb Werner von Siemens auf einer Reise nach Ägypten, dass fliegender Sand zu hohen elektrischen Spannungen in der Atmosphäre der Wüste führen kann.[22] Ähnliche Effekte werden auch bei Vulkanausbrüchen, der industriellen Handhabung von Pulvern und auch bei Schnee beobachtet.[19] Bei Flugsand werden die kleineren (bis etwa 250 µm) negativ und die größeren (ab 500 µm) positiv aufgeladen.[20] Möglicherweise spielen auch Wassermoleküle dabei eine Rolle, die über Adsorption an den Sandkörnern haften[21], möglicherweise lässt sich der Effekt aber auch ohne Wasser schon erklären.[22]

Quaestiones


  • 1) Hansjörg Streif gibt für Flugsand Windgeschwindigkeiten von mindestens 6,4 m/s an. Die Lexika des Spektrum Verlags hingegen nennen Grenzgeschwindigkeit von deutlich unter 1 m/s. Optisch erkennbare Flugsand sieht man an den Flachküsten der Nordsee tatsächlich erst ab spürbar starkem Wind. Alle Quellen beziehen sich dabei auf mehr oder minder Sande mit Korngrößen um die 0,2 mm. Wie lässt sich dieser große Unterschied erklären?

Fußnoten


  • [1] 1858: "Flugsand, der feine Sand, der außer Quarz oft Kalk- u. Thontheile enthält, leicht vom Wind über Äcker u. Wiesen geführt wird u. diese oft hoch überschüttet u. unfruchtbar macht. Enthält er 90 Procent Sand, so ist er zum Pflanzenbau untauglich, mit Hülfe des Wassers läßt er sich aber verbessern u. durch allerlei angesäete u. angepflanzte Pflanzen, bes. Sandhafer, Riedgräser, Rohr, Quecken, Schwingel etc. befestigen. Letzteres geschieht auch durch Coupirzäune, d.h. 3–4 F. hohe, locker geflochtene Zäune, die rechtwinkelig mit dem gewöhnlichen Sandfluge aufgerichtet werden; hierdurch wird das Weitertreiben des F-s von den mit Sand überdeckten Grundstücken (Sandschollen, Sandschellen) verhindert. Auf schiefen Flächen werden diese Zäune, 20–30 Schritte, auf der Ebene 70 bis 80 von einander entfernt, die Sandschollen aber rundum mit einem Zaune umgeben. Solche Stellen baut man nun mit Kiefern, auch mit Gras an. Vgl. T. Hartig, Über Bildung u. Befestigung der Dünen etc. u. über den Anbau der Sandschollen mit Holz, ebd. 1831; J. v. Pannewitz, Anleitung zum Anbau der Sandschollen etc., Marienwerd. 1832." In: Pierer's Universal-Lexikon, Band 6. Altenburg 1858, S. 389. Online: http://www.zeno.org/nid/20009937625
  • [2] Das Spektrum Lexikon der Geographie definiert Flugsand" als "vom Wind transportiertes Material der Sandkorngröße, wobei der Hauptanteil meist aus Körnern mit Durchmessern zwischen 125-250 μm besteht." 125 bis 256 µm, das heißt Mikrometer, entsprechen einem Achtel bis einem Viertel Millimeter Korngröße. In: der Artikel "Flugsand". Spektrum Lexikon der Geographie. Abgerufen am 7. Mai 2024. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/geographie/flugsand/2556
  • [3] Eine erste, meist durch Flugsand aufgewehte Miniatur-Dünen nennt man auch Embryonaldüne ↗
  • [4] Im Fall von Windablagerungen spricht man in der Geologie von sogenannten äolischen Sedimenten. Aus äolischen Sandsedimenten kann später massiver Sandstein entstehen. Siehe auch Sediment ↗
  • [5] Nach dem Spektrum Lexikon der Geographie (Stand August 2024) kennzeichnet die Saltation eine springende Fortbewegung von Sandkörnern. Die Sandkörner befinden sich auf einer "parabelförmigen Flugbahn", die Wolke aus diesen "saltierenden Sandkörnern" bildet die sogenannte "Saltationswolke". Höhen von 1 bis 2 und maximal 3 Metern über der Oberfläche sollen vorkommen. Siehe auch unter Flugsand ↗
  • [7] Hansjörg Streif: Das ostfriesische Küstengebiet. Nordsee, Inseln, Watten und Marschen. Sammlung Geologischer Führer 57. Verlag der Gebrüder Bornträger. Zweite, völlig neubearbeitete Auflage. 1990. ISBN: 3-443-15051-9. Dort im Kapitel "6 Die holozänen Sedimente" auf Seite 128. Siehe auch Flachküste ↗
  • [8] F. Trusheim (1935): Eine Titaneisenerz-Seife von Wangeroog. In: Senckenbergiana, 17: 62-72. Frankfurt am Main.
  • [9] K. Lamcke (1938): Mineralogische und chemische Untersuchungen an Erzseifen der deutschen Nord- und Ostseeküsten. In: Geologische Rundschau. 29: 301-306. Stuttgart.
  • [10] G. Lüttig (1974): Seifenlagerstätten an der niedersächsischen Küste. In: Glückauf. Jahrgang 110. 5: 169-171. Glückauf Verlag. Essen.
  • [12] Rohstoffsicherungsbericht 2012 des Landesamtes für Bergbau, Energie und Geologie. Hannover. Dort das Kapitel "5.1.3 Schwermineralsand". Seite 39 ff.
  • [13] "Sandfahnen" als "Kleinstformen von Dünen" sind zum Beispiel behandelt in: Hansjörg Streif: Das ostfriesische Küstengebiet. Nordsee, Inseln, Watten und Marschen. Sammlung Geologischer Führer 57. Verlag der Gebrüder Bornträger. Zweite, völlig neubearbeitete Auflage. 1990. ISBN: 3-443-15051-9. Dort im Kapitel "6 Die holozänen Sedimente". Seite 132. Siehe auch Sandfahne ↗
  • [14] "Feuchtigkeit erhöht die Grenzgeschwindigkeit durch die Erhöhung der Kohäsionskräfte zwischen den Körnern. Ähnlich wirken Salze deflationshemmend durch Verkleben der Körner." In: der Artikel "Deflation". Spektrum Lexikon der Geowissenschaften. Abgerufen am 24. Juli 2025. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/geowissenschaften/deflation/3006
  • [15] "Bei Körnern <0,08 mm wirkt die Oberfläche aerodynamisch glatt, da keine Körner über die Prandtl-Schicht hinaus in die turbulente Schicht ragen. Die zur Deflation benötigte Geschwindigkeit steigt dann sehr stark an." In: der Artikel "Deflation". Spektrum Lexikon der Geowissenschaften. Abgerufen am 24. Juli 2025. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/geowissenschaften/deflation/3006
  • [16] Die Werte zu den Korngrößen des Sandes vom Nassen und vom Trockenen Strand stammen aus einer ganzseitigen graphischen Darstellung auf Grundlage einer Messung aus dem Jahr 1982. In: Hansjörg Streif: Das ostfriesische Küstengebiet. Nordsee, Inseln, Watten und Marschen. Sammlung Geologischer Führer 57. Verlag der Gebrüder Bornträger. Zweite, völlig neubearbeitete Auflage. 1990. ISBN: 3-443-15051-9. Dort im Kapitel "6.2.2.2.3 Inseldünen" auf Seite 133.
  • [19] Zur elektrischen Aufladung durch Reibung: "Insulating particles can become highly electrified during powder handling, volcanic eruptions, and the wind-blown transport of dust, sand, and snow. Measurements in these granular systems have found that smaller particles generally charge negatively, while larger particles charge positively." In dem Forschungsartikel wird gezeigt, dass trotz gleicher stofflichen Beschaffenheit die Aufladung funktioniert, und zwar rein über die Geometrie der Körner. In: Jasper F. Kok, Daniel J. Lacks: Electrification of granular systems of identical insulators. 2009. Online: https://doi.org/10.48550/arXiv.0902.3411
  • [20] Elektrische Aufladung von Flugsand bei Saltation: "the sign of electric charge, either negative or positive, is mainly dependent on the diameter size of sand particles, i.e., negative charge is gained when the diameter is smaller than 250 μm and positive charge is obtained if the diameter is larger than 500 μm, and that for both “uniform” and mixed sands, the average charge-to-mass ratio decreases with increasing the wind velocity, and increases with height from sand bed. " In: Zheng, X. J., N. Huang, and Y.-H. Zhou (2003), Laboratory measurement of electrification of wind-blown sands and simulation of its effect on sand saltation movement, J. Geophys. Res., 108, 4322, doi:10.1029/2002JD002572, D10.
  • [21] Zum Einfluss des Wassers auf die Reibungselektrizität und den Wert von 166 V/m bei Sandstürmen: Gu Z, Wei W, Su J, Yu CW. The role of water content in triboelectric charging of wind-blown sand. Sci Rep. 2013;3:1337. doi: 10.1038/srep01337. PMID: 23434920; PMCID: PMC3580324.
  • [22] Siemens, W.: Beschreibung ungewöhnlich starker elektrischer Erscheinungen auf der Cheops-Pyramide bei Cairo während des Wehens des Chamsin. In: Poggendorff’s Annalen der Physik und Chemie 185, S. 355–359, 1860.