重力逆转：微粒多孔颗粒如何在海洋“雪暴”中沉降更快

如今，来自布朗大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员对颗粒在分层流体（如密度随深度变化的海洋）中的沉降过程获得了令人惊讶的新见解。发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上的一项研究表明，颗粒沉降的速度不仅取决于流体产生的阻力，还取决于颗粒单位体积吸收盐分的速率。

"这基本上意味着较小的颗粒可能比较大的颗粒沉降得更快，"领导这项工作的布朗大学工程学院博士后研究员罗伯特·亨特说。"这与你对密度均匀流体中沉降情况的预期完全相反。"

研究人员希望这些新见解有助于理解海洋营养循环，以及其他多孔颗粒（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——例如颗粒尺寸或液体密度变化速率——从而获得沉降速度的合理估算，"监督这项工作的布朗大学工程学副教授丹尼尔·哈里斯说。"拥有易于使用的预测能力具有重要价值。"

这项研究源于亨特和哈里斯先前对中性浮力颗粒（沉降到特定深度后停止的颗粒）的研究。亨特注意到一些似乎与颗粒孔隙率有关的异常行为。

"我们在假设这些颗粒保持中性浮力的前提下测试一个理论，"亨特说。"但当我们观察它们时，它们持续下沉，这实际上有点令人沮丧。"

这促使他们建立了一个新的理论模型，研究孔隙率（特别是吸收盐分的能力）如何影响沉降速率。该模型预测，颗粒单位尺寸能吸收的盐分越多，其沉降速度就越快。这意味着，在某种程度上违反直觉的是，小的多孔颗粒比大的颗粒沉降得更快。

为了验证该模型，研究人员开发了一种方法，创建密度随深度逐渐增加的线性分层水体。为此，他们向一个大水箱中注入来自两个较小水箱的水，其中一个装有淡水，另一个装有盐水。每个水箱的可控泵使他们能够精确控制大水箱的密度分布。

随后，该团队使用3D打印模具，用海藻提取的凝胶状物质琼脂制造了不同形状和大小的颗粒。通过摄像机记录单个颗粒沉降过程。

实验证实了模型的预测。对于球形颗粒，较小的颗粒往往沉降得更快。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。这意味着相同体积下，细长颗粒的沉降速度实际上快于球形颗粒。

研究人员表示，这些结果出人意料，可为理解颗粒在更复杂生态环境（无论是理解自然碳循环还是设计加速大型水体碳捕获的方法）中的沉降提供重要见解。

"我们并非试图完全复现海洋条件，"哈里斯说。"我们实验室的方法是将复杂现象提炼至其最简单的形式，思考其中涉及的基础物理原理。然后我们可以与现场测量人员反复交流，以理解这些基本原理在何处适用。"

哈里斯表示，他希望与海洋学家和气候科学家建立联系，探讨这些新发现可能带来的见解。

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·麦克劳克林。研究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 和 N00014-23-1-2478）资助。