重力悖论：多孔微粒在海雪风暴中下沉更快

来自布朗大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员，在粒子如何下沉于如海洋等分层流体（流体密度随深度变化）方面取得了令人惊讶的新发现。在发表于《美国国家科学院院刊》的一项研究中，他们揭示粒子下沉速度不仅取决于流体产生的阻力，还取决于粒子相对于其体积吸收盐分的速率。

"这基本上意味着较小的粒子可能比较大的下沉得更快，"领导这项研究的布朗大学工程学院博士后研究员罗伯特·亨特说。"这与你在密度均匀的流体中预期的结果完全相反。"

研究人员希望这些新见解有助于理解海洋营养循环，以及其他多孔微粒（包括微塑料）的沉降过程。

"我们最终得出了一个相当简洁的公式，你可以代入不同参数的估计值——例如粒子大小或液体密度变化速率——从而获得下沉速度的合理估算，"负责监督这项工作的布朗大学工程学副教授丹尼尔·哈里斯表示。"这种易于获取的预测能力具有重要意义。"

该研究源于亨特和哈里斯先前对中性浮力粒子（即下沉到特定深度后停止的粒子）的研究。亨特注意到某些似乎与粒子孔隙率相关的异常现象。

"我们在假设这些粒子将保持中性浮力的前提下测试理论，"亨特说。"但当我们观察时，它们持续下沉，这实际上有点令人沮丧。"

这促使他们建立了新的理论模型，探讨孔隙率（特别是吸收盐分的能力）如何影响沉降速率。该模型预测：粒子相对于其尺寸能吸收的盐分越多，下沉速度越快。这意味着在某种反直觉的情况下，小型多孔粒子比大型粒子下沉更快。

为验证模型，研究人员开发了一种构建线性分层水体的方法，其中液体密度随深度逐渐增加。他们通过连接两个小水箱（一个装淡水，一个装盐水）向大型水箱供水。来自每个水箱的可控水泵使他们能够精确调控大型水箱的密度分布。

该团队利用3D打印模具制作了不同形状和大小的琼脂颗粒（源自海藻的凝胶状材料），并通过摄像机记录单个颗粒的下沉过程。

实验证实了模型预测：对于球形颗粒，较小颗粒的下沉速度往往更快；对于更薄或更扁平的颗粒，其沉降速度主要取决于最小尺寸。这意味着相同体积的细长颗粒实际上比球形颗粒下沉更快。

研究人员表示，这些违反直觉的结果可能为理解粒子在更复杂生态环境中的沉降提供重要启示——无论是理解自然碳循环，还是设计加速大型水体碳捕获的工程方法。

"我们并非试图完全复制海洋环境，"哈里斯强调。"实验室的研究思路是将复杂现象提炼至最简形式，探究其中涉及的基础物理机制。随后我们可以与实地测量的研究者协作，共同理解这些基础原理的实际应用场景。"

哈里斯表示希望与海洋学家和气候科学家对接，探索这些新发现可能带来的洞见。

该研究的其他合著者包括北卡罗来纳大学教堂山分校的罗伯托·卡马萨和理查德·麦克劳林。研究资金由美国国家科学基金会(DMS-1909521, DMS-1910824, DMS-2308063)和美国海军研究办公室(N00014-18-1-2490, N00014-23-1-2478)提供。