Откройте банку со смесью орехов, и, скорее всего, бразильские орехи окажутся наверху. Это явление, при котором крупные частицы стремятся подняться наверх смеси, а мелкие частицы стремятся опуститься вниз, широко известно как «эффект бразильского ореха» или, более технически, как расслоение гранул..
Посмотрите вниз на верхнюю часть русла реки, и вы легко проведете параллель: верхняя часть русла обычно выложена более крупным булыжником, а более мелкий песок и мелкие частицы гравия составляют более глубокие слои.
Физики, занимающиеся изучением движения частиц, много думали о механике, по которой частицы сортируются в подобных сценариях, но до сих пор это исследование не было переведено в науку о Земле. В новом исследовании геофизики из Университета Пенсильвании обнаружили, что гранулярная сегрегация помогает объяснить склонность русел рек к выстиланию или «бронированию» слоя относительно более крупных частиц.
Выводы, опубликованные в журнале Nature Communications, улучшают понимание того, как формируются русла рек, и имеют значение для того, как реки могут также подвергаться эрозии. Но исследование также позволяет по-новому взглянуть на фундаментальную физику сегрегации частиц, которая применима ко всем видам гранулированных материалов, от русел рек и почв до промышленных и фармацевтических веществ..
«Феномен зернистой сегрегации изучался в течение десятилетий», - сказал Дуглас Дж. Джеролмак, доцент кафедры наук о Земле и окружающей среде Школы искусств и наук Университета Пенсильвании, - «и еще вот это отдельное объяснение геологов и инженеров о том, почему русла рек покрываются грубым слоем на поверхности, и они никогда раньше не встречались. Наш основной вклад здесь состоит в том, чтобы действительно взять понимание гранулярной физики сегрегации частиц - то, как большие частицы сегрегируют и поднимаются к поверхности - и представить это в проблеме реки».
Джеролмак сотрудничал в работе с докторантами Бехрузом Фирдоуси, который сейчас работает в Принстонском университете; Карлос П. Ортис, сейчас в Deloitte Consulting; и Морган Хуссе, сейчас работающая в Городском университете Нью-Йорка. Армирование русла реки встречается почти повсеместно, и считается, что реки предотвращают чрезмерную эрозию.
«Мы называем это армированием, потому что более крупные частицы похожи на броню, которая защищает русло реки под ним от эрозии», - сказал Джеролмак. «Если русло реки покрыто большими булыжниками, то мне понадобится большое наводнение, чтобы их сдвинуть».
Геологи обычно считают, что механика жидкости управляет этой закономерностью. Речная вода смывает более мелкие частицы, оставляя более крупные.
Но группа под руководством Пенна признала, что это объяснение не позволяет представить русло реки как зернистую систему, которая также будет подвержена эффекту бразильского ореха, а не только сдвиговой силе воды.
Чтобы увидеть, применима ли зернистая сегрегация в жидкой системе, исследователи обратились к лабораторному аналогу реки: каналу в форме пончика, заполненному большими и маленькими сферическими частицами. Крышка канала толкает жидкость поверх частиц, имитируя течение реки.
Как было показано в более раннем исследовании, частицы движутся вдоль русла реки по двум механизмам: те, что находятся наверху, толкаются потоком жидкости, а те, что находятся глубже, медленно ползут из-за взаимодействия между частицами.
В новой работе команда Penn хотела понять, как эти частицы перемещаются не только горизонтально, но и вертикально в слое.
Используя специально созданный канал и жидкость, залитую флуоресцентным красителем, Джеролмак и его коллеги смогли просканировать всю глубину канала и визуализировать всю плоскость частиц, даже тех, которые скрыты под несколькими десятками других частиц.
"Это почти как сделать рентгеновский снимок нашего гранулированного образца, но с помощью лазера и фотографий", - сказал Джеролмак.
С помощью компьютерной программы они смогли отследить горизонтальное и вертикальное положение всех этих частиц во времени. И они увидели эффект бразильского ореха в действии.
«В этом лабораторном эксперименте с очень упрощенной рекой, - сказал Джеролмак, - мы увидели, что, когда у нас есть жидкость, толкающая зерна по руслу реки, эти зерна толкают зерна под собой, которые толкают зерна, находящиеся под ними, и и так далее, и это создает такое толчковое движение, которое позволяет крупным частицам как бы всплывать. Таким образом, мы подтвердили, что это общее поведение, наблюдаемое в зернистых системах, похоже, также происходит и в реках».
Другим важным открытием, подтвержденным компьютерным моделированием, учитывающим трение каждой частицы в русле реки, было то, что это разделение частиц по размеру происходило в два этапа. В первом случае более крупные частицы у поверхности русла поднимались вверх, а частицы, упакованные в более глубоких частях русла, казалось, оставались почти неподвижными. Но на втором этапе эти ползучие, более глубокие зерна начали сортироваться, причем крупные частицы время от времени втягивались в более быстро текущие частицы к верхней части русла и толкались вверх..
«По сути, никто не пытался выяснить, способствуют ли чрезвычайно медленно движущиеся гранулированные материалы сегрегации», - сказал Джеролмак. «Наблюдение, что мы действительно наблюдали сегрегацию, что крупные частицы поднимались из этого ползучего слоя, является совершенно новым для науки и также имеет всевозможные последствия. Это может объяснить, как мы наблюдаем сегрегацию, происходящую в медленно движущихся местах, таких как склоне холма, где мы склонны находить крупные частицы на поверхности, несмотря на то, что над ними не действует гидродинамическая сила».
Исследователи обнаружили, что трудно предсказать, когда реки размываются или когда склоны холмов превращаются в оползни, и эти результаты могут помочь объяснить, почему эти предсказания оказались такими неуловимыми.
«Мы работаем над этими проблемами уже 100 лет, и до сих пор не можем с уверенностью предсказать, какая сила жидкости вызовет эрозию зерен», - сказал Джеролмак. «И эта точка со временем меняется. Речные инженерные проекты, мосты и здания зависят от оценки порога эрозии. Я думаю, нам нужно начать с нуля с новой структурой, которая включает гранулированную физику».
Хотя эти эксперименты и моделирование не могут точно воспроизвести сложные условия, наблюдаемые в реках, такие как турбулентность, Джеролмак отмечает, что результаты указывают на необходимость интеграции наук о Земле с исследованиями фундаментальной физики для расширения знаний в обе сферы.
Наша неспособность предсказать, когда начнется эрозия, наша неспособность предсказать, когда медленная, сочащаяся куча грязи на холме внезапно превратится в оползень, связана с тем, что мы упираемся в наш предел фундаментального понимания того, как ведут себя неупорядоченные материалы», - сказал Джеролмак.«Нам необходимо углубить наше понимание фундаментальной физики неупорядоченных материалов, чтобы иметь возможность делать прогнозы в сфере земных материалов. И это одна из проблем, с которой, я думаю, мы начали это делать».
«Пенн - идеальное место для этого», - сказал он. «Здесь работает большое количество физиков и инженеров с широким и междисциплинарным взглядом на материаловедение. Сотрудничество при содействии Центра материаловедения и инженерии сделало такую работу возможной».