Skiftende sand, krybende jord, og en ny forståelse af landskabsudvikling

En ny undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation finder ud af, at bunker af sandkorn, selv når du er uforstyrret, er i konstant bevægelse. Brug af meget følsomme optiske interferensdata, forskere fra University of Pennsylvania og Vanderbilt University præsenterer resultater, der udfordrer eksisterende teorier inden for både geologi og fysik om, hvordan jordbund og andre typer uordnede materialer opfører sig.

De fleste mennesker bliver først opmærksomme på jordbevægelser på bjergskråninger, når jorden pludselig mister sin stivhed, et fænomen kendt som udbytte. "Sig, at du har jord på en bjergskråning. Så, hvis der er et jordskælv eller det regner, dette materiale, der tilsyneladende er fast, bliver til en væske, " siger hovedefterforsker Douglas Jerolmack fra Penn. "Den fremherskende ramme behandler denne fiasko, som om det er en revne, der knækker. Grunden til det er problematisk er fordi du modellerer materialet efter et solidt mekanisk kriterium, men du modellerer det på det tidspunkt, hvor det bliver en væske, så der er en iboende modsætning."

En sådan model indebærer, at under udbyttet er jorden fast og bør derfor ikke flyde, men jorden "flyder" langsomt og vedvarende under dets udbyttegrænse i en proces kendt som krybning. Den fremherskende geologiske forklaring på jordkryb er, at det er forårsaget af fysiske eller biologiske forstyrrelser, såsom fryse-tø-cyklusser, væltede træer, eller gravende dyr, der virker til at flytte jord.

I dette studie, hovedforfatter og Penn Ph.D. kandidat Nakul S. Deshpande var interesseret i at observere individuelle sandpartikler i hvile, som baseret på eksisterende teorier, skal være helt ubevægelig. "Forskere har bygget modeller ved at antage visse former for opførsel af jordkornene i kryb, men ingen havde faktisk lige direkte observeret, hvad kornene gør, " siger Deshpande.

At gøre dette, Deshpande oprettede en række tilsyneladende simple eksperimenter, skabe sandbunker i små plexiglaskasser oven på et vibrationsisolerende arbejdsbord. Han brugte derefter en laserlysspredningsteknik kaldet diffusing-wave spectroscopy, som er følsom overfor meget små kornbevægelser. "Eksperimenterne er teknisk udfordrende, " Deshpande siger om dette arbejde. "At skubbe teknikken til denne opløsning er endnu ikke almindeligt i fysik, og tilgangen har ikke præcedens inden for geovidenskab eller geomorfologi."

Deshpande og Jerolmack arbejdede også sammen med mangeårige samarbejdspartner Paulo Arratia, der driver Penn Complex Fluids Lab, at forbinde deres data med rammer fra fysik, materialevidenskab, og teknik til at finde analoge systemer og teorier, der kunne hjælpe med at forklare deres resultater. Vanderbilts David Furbish, der bruger statistisk fysik til at studere, hvordan partikelbevægelser påvirker store landskabsændringer, gav forklaring på, hvorfor tidligere modeller var fysisk utilstrækkelige og inkonsistente med, hvad forskerne havde fundet.

De første eksperimenter var tilsyneladende nemme:Hæld en bunke sand i kassen, lad det sidde, og se med laseren. Men forskerne opdagede, at mens intuition og fremherskende teorier siger, at de uforstyrrede bunker af sand skal være statiske, sandkornbunker er i virkeligheden en masse af konstant bevægelse og opfører sig som glas.

"På enhver måde, vi kan måle sandet, det er afslappende som et kølende glas, " siger Deshpande. "Hvis du skulle tage en flaske og smelte den, så frys det igen, den opførsel af disse molekyler i det køleglas er, på alle måder, vi er i stand til at måle, ligesom sandet."

I fysik, glas og jordpartikler er klassiske eksempler på et "uordnet" system, en hvis bestanddele er arrangeret tilfældigt i stedet for i krystallinsk, veldefinerede strukturer. Mens uordnede materialer, et stort fokusområde i Penn's Materials Research Science &Engineering Center, deler nogle fælles adfærd med hensyn til, hvordan de deformeres, når de er stressede, der er en vigtig forskel på glas og en bunke sand. Molekylerne, der udgør glas, bevæger sig altid tilfældigt med en hastighed, der afhænger af temperaturen, men sandkorn er for store til det. På grund af det, fysikere forventer, at en bunke sand ville være "fastklemt" og ubevægelig, men disse seneste resultater præsenterer en ny måde at tænke jord på for forskere i både fysik og geologi.

Et andet overraskende resultat var, at hastigheden af ​​krybejord kunne styres ud fra de anvendte typer forstyrrelser. Mens den uforstyrrede sandbunke fortsatte med at krybe så længe, ​​som forskerne observerede, hastigheden af ​​partikelbevægelsen aftog gennem tiden i en proces kaldet aldring. Når sandpartikler blev opvarmet, denne ældning blev vendt, således at krybehastigheden steg tilbage til deres oprindelige værdi. Banke på bunken, i modsætning, accelereret aldring.

"Vi har en tendens til at tænke på ting, der driver jorden mod udbytte, som rysten fra et jordskælv, der udløser et jordskred, men andre forstyrrelser i naturen driver potentielt jord længere væk fra udbytte, eller gøre det sværere for et jordskred at ske, " siger Jerolmack. "Nakuls evne til at indstille den yderligere eller tættere på at give efter var som en bombe, der gik af for os, og dette er et helt nyt område."

På kort sigt, forskerne arbejder på opfølgende eksperimenter for at genskabe virkningerne af lokaliserede forstyrrelser ved hjælp af magnetiske sonder for at forstå, hvordan forstyrrelser kan føre et system længere væk fra eller tættere på at give efter. De ser også på data fra feltobservationer, fra naturlig jordkryb til katastrofale jordskredbegivenheder, for at se, om de kan forbinde deres laboratorieeksperimenter med det, observatører ser i felten, potentielt muliggør nye måder at opdage katastrofale landskabsfejl, før de sker.

Forskerne håber, at deres arbejde kan være et udgangspunkt for at forfine eksisterende teorier, der bygger på et paradigme, som en bjergskråning, hvis jordpartikler har flyttet sig over tid, holder ikke længere vægten. "Når du observerer noget virkelig kontraintuitivt og nyt, det vil nu tage lang tid før det bliver til en model at bruge, " siger Jerolmack. "Jeg håber på geovidenskabens side, at folk med sofistikerede værktøjer og teknikker og erfaring vil følge op, hvor vi er endt og sige, "Jeg har en ny idé til at søge denne signatur i feltet, som du ikke ville have tænkt på" - den naturlige overdragelse af skalaer og evner og interesser."