Brasiliansk nød -effekt hjælper med at forklare, hvordan floder modstår erosion, team finder

Pop toppen af ​​en dåse med blandede nødder og, chancerne er, Paranødder vil være øverst. Dette fænomen, af store partikler, der har tendens til at stige til toppen af ​​blandinger, mens små partikler har tendens til at synke ned, er populært kendt som "paranødseffekten" og mere teknisk som granulær segregering.

Kig ned på toppen af ​​et flodleje, og det er nemt at drage en parallel:toppen af ​​et flodleje er typisk foret med større brosten, mens finere sand og små gruspartikler udgør de dybere lag.

Fysikere, der beskæftiger sig med partikelbevægelse, har tænkt meget over mekanikken, ved hvilken partikler sorterer i disse typer scenarier, men den forskning er ikke blevet oversat til jordvidenskab før nu. I en ny undersøgelse, geofysikere fra University of Pennsylvania fandt ud af, at granulær segregering hjælper med at forklare flodbreddenes tendens til at blive foret af, eller "pansret" med, et lag af relativt større partikler.

Udgivet i tidsskriftet Naturkommunikation , fundene forbedrer forståelsen af, hvordan flodbredde dannes, med betydning for, hvordan floder også kan erodere. Men forskningen giver også ny indsigt i partikelseparationens grundlæggende fysik, der gælder for alle slags granulerede materialer, fra flodleje og jord til industrielle og farmaceutiske stoffer.

"Der har været dette granulære segregeringsfænomen, der er blevet undersøgt i årtier, "sagde Douglas J. Jerolmack, lektor i Institut for Jord- og Miljøvidenskab i Penn's School of Arts and Sciences, "og så er der denne separate forklaring fra geologer og ingeniører om, hvorfor flodlejer får et groft lag på overfladen, og de to havde aldrig mødt hinanden før. Vores største bidrag her er virkelig at tage den granulære fysik forståelse for adskillelse af partikler - hvor store partikler segregerer og bevæger sig op til overfladen - og introducerer det til flodproblemet. "

Jerolmack samarbejdede om arbejdet med postdoktorale forskere Behrooz Ferdowsi, nu ved Princeton University; Carlos P. Ortiz, nu hos Deloitte Consulting; og Morgane Houssais, nu på City University of New York. Flodbredsarmering ses næsten universelt og forstås at være en måde, hvorpå floder forhindrer overdreven erosion.

"Vi kalder dette rustning, fordi de større partikler er som en rustning, der beskytter flodbunden nedenunder mod at blive eroderet, " sagde Jerolmack. "Hvis der er store brosten, der ligger langs flodlejet, så har jeg brug for en stor oversvømmelse for at flytte dem. "

Geologer har generelt troet, at væskemekanik styrer dette mønster. Flodvandet ville vaske de finere partikler væk, efterlader de større partikler.

Men det Penn-ledede team erkendte, at denne forklaring ikke kunne forestille sig flodlejet som et granulært system, som også ville være omfattet af paranøddereffekten, ikke kun vandets forskydningskraft.

For at se om granulær segregering gjaldt i et væskesystem, forskerne henvendte sig til et laboratorium til en flod:en doughnut-formet kanal fyldt med store og små sfæriske partikler. Låget på kanalen skubber væsken oven på partiklerne, replikere en flods strøm.

Som de havde vist i en tidligere undersøgelse, partikler bevæger sig langs flodbredden af ​​to mekanismer:dem øverst skubbes af væskestrømmen, mens de dybere ned kryber langsomt langs på grund af interaktionen mellem partikler.

I det nye værk, Penn -teamet ønskede at forstå, hvordan disse partikler bevægede sig ikke bare vandret, men også lodret i sengen.

Ved hjælp af deres specialbyggede kanal og væske indlejret i et fluorescerende farvestof, Jerolmack og kolleger var i stand til at scanne gennem hele dybden af ​​kanalen og visualisere hele partikelplanet, selv dem begravet under flere dusin andre partikler.

"Det er næsten som at tage et røntgenbillede af vores granulære prøve, men med en laser og fotografier, "Sagde Jerolmack.

Ved hjælp af et softwareprogram, de var derefter i stand til at spore de vandrette og lodrette positioner af alle disse partikler gennem tiden. Og de så paranødder -effekten i aktion.

"I dette laboratorieforsøg af en meget forenklet flod, "Sagde Jerolmack, "vi så det, når vi har en væske, der skubber korn på flodlejet, disse korn skubber korn under dem, der skubber korn, der er under dem og så videre, og det skaber denne stødende bevægelse, der gør det muligt for store partikler at flyde opad. Så vi bekræftede, at denne generelle adfærd, der ses i granulære systemer, også synes at forekomme i floder. "

Et andet stort fund, bekræftet af computersimuleringer, der tager højde for friktionen, som hver partikel mærker i flodlejet, var, at denne adskillelse af partikler efter størrelse udspillede sig i to trin. Først og fremmest, de større partikler nær overfladen af ​​flodlejet bevægede sig op, mens dem pakket ned i de dybere dele af sengen syntes at forblive næsten ubevægelige. Men i en anden fase, disse krybende, dybere korn begyndte at sortere, de store bliver af og til suget op i de hurtigere strømmende partikler mod toppen af ​​flodlejet og skubber opad.

"Grundlæggende var der ingen, der havde søgt efter, om ekstremt langsomt bevægelige granulære materialer bidrog til adskillelse, " sagde Jerolmack. "Den observation, at vi så adskillelse ske, at grove partikler bevægede sig op fra dette krybende lag, er helt ny for videnskaben og har også alle mulige implikationer. Det kan måske forklare, hvordan vi ser adskillelse ske på langsomt bevægende steder som jord på en bjergskråning, hvor vi har tendens til at finde grove partikler på overfladen, på trods af at der ikke var nogen flydende kraft, der bevægede sig over dem. "

Forskere har haft svært ved at forudsige, hvornår floder eroderer, eller når bjergskråninger opløses i jordskred, og disse fund kan hjælpe med at forklare, hvorfor disse forudsigelser har vist sig så undvigende.

"Vi har arbejdet med disse problemer i 100 år, og vi kan stadig ikke med stor sikkerhed forudsige, hvilken flydende kraft der får korn til at begynde at erodere, "Sagde Jerolmack." Og det punkt ændrer sig med tiden. Flodtekniske projekter, broer og bygninger er alle afhængige af skøn over erosionstærsklen. Jeg tror, ​​vi skal starte forfra med en ny ramme, der indeholder granulær fysik. "

Selvom disse eksperimenter og simuleringer ikke kan give en nøjagtig replikation for de komplekse forhold, der ses i floder, såsom turbulens, Jerolmack bemærker, at resultaterne peger på et behov for at integrere jordvidenskab med grundlæggende fysikforskning for at fremme viden på begge områder.

"Vores manglende evne til at forudsige, hvornår erosion vil forekomme, vores manglende evne til at forudsige, når en langsom, oser af snavs på en bakke vil pludselig blive et jordskred, er fordi vi er oppe mod vores grænse for den grundlæggende forståelse af hvordan uordnede materialer opfører sig, " sagde Jerolmack. "Vi er nødt til at fremme vores forståelse af grundlæggende fysik af uordnede materialer for at have nogen chance for at lave forudsigelser i jord-materialeriget. Og det er et problem, hvor jeg tror, ​​vi er begyndt at gøre det.

"Penn er et ideelt sted at gøre dette, " sagde han. "Her er der et stort antal fysikere og ingeniører med et bredt og tværfagligt syn på materialevidenskab. Samarbejde faciliteret af Center for Materialeforskningsvidenskab og Teknik har gjort denne form for arbejde mulig. "