重力反转：多孔微粒如何在海洋雪暴中加速沉降

如今，布朗大学与北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员取得了惊人发现，揭示了粒子在分层流体（如密度随深度变化的海洋）中的沉降机制。在发表于《美国国家科学院院刊》的研究中，他们证明粒子沉降速度不仅取决于流体阻力，更关键的是粒子单位体积吸收盐分的速率。

"这意味着小颗粒沉降速度可能快于大颗粒，"领导该研究的布朗大学工程学院博士后研究员罗伯特·亨特表示，"这完全颠覆了均匀密度流体中的预期规律。"

研究人员希望新发现有助于理解海洋营养循环，以及微塑料等多孔颗粒物的沉降过程。

"我们最终推导出简洁公式，只需输入颗粒尺寸或液体密度变化速率等参数估值，即可获得合理的沉降速度预测，"项目负责人、布朗大学工程学副教授丹尼尔·哈里斯解释道，"这种易于操作的预测能力具有重要价值。"

该研究源于亨特与哈里斯早期对中性浮力颗粒（沉降至特定深度即停止的颗粒）的探索。亨特注意到某些异常现象似乎与颗粒孔隙率相关。

"我们在中性浮力假设下验证理论时，"亨特说，"实际观察到颗粒持续沉降，这确实有点令人沮丧。"

由此催生了关于孔隙率（特指盐分吸收能力）如何影响沉降速率的新理论模型。模型预测：单位尺寸盐分吸收量越大的颗粒沉降越快。这意味着多孔小颗粒沉降速度快于大颗粒，与传统认知相悖。

为验证模型，研究人员开发了构建线性分层水体的方法——液体密度随深度梯度递增。他们通过可控泵将淡水和盐水注入大型水槽，精确调控水体密度剖面。

团队采用3D打印模具制造不同形状尺寸的琼脂颗粒（源自海藻的凝胶材料），并通过摄像记录单颗粒沉降过程。

实验证实了模型预测：球形颗粒中较小者沉降更快；薄片状颗粒的沉降速度主要由最小尺寸决定，因此相同体积的细长颗粒快于球形颗粒。

研究人员称此反直觉现象意义重大，可为复杂生态系统中颗粒沉降机制（如自然碳循环或水体碳捕集工程）提供关键见解。

"我们并非模拟完整海洋环境，"哈里斯强调，"实验室研究旨在提炼复杂现象的本质物理原理。随后可与实地测量者协作，验证这些基础原理的实际适用性。"

哈里斯表示期待与海洋学家和气候科学家合作，探索新发现的潜在应用价值。

研究合作者包括北卡罗来纳大学教堂山分校的罗伯托·卡玛萨与理查德·麦克劳克林。项目获美国国家科学基金会（DMS-1909521, DMS-1910824, DMS-2308063）及海军研究办公室（N00014-18-1-2490, N00014-23-1-2478）资助。