重力反转：微小多孔颗粒如何在海洋雪暴中加速沉降

现在，布朗大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员在对颗粒如何在分层流体（如海洋）中下沉的问题上获得了令人惊讶的新见解，这类流体的密度随深度变化。他们发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上的一项研究表明，颗粒下沉的速度不仅取决于流体的阻力，还取决于颗粒相对于自身体积吸收盐分的速率。

"这基本上意味着较小的颗粒下沉速度可能比大颗粒更快，"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（Robert Hunt）说。"这与在密度均匀的流体中你所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，你可以输入不同参数的估计值——如颗粒大小或液体密度变化速率——从而获得下沉速度的合理估算，"监督这项工作的布朗大学工程学副教授丹尼尔·哈里斯（Daniel Harris）说。"拥有易于获取的预测能力是具有重要价值的。"

这项研究源于亨特和哈里斯先前对中性浮力颗粒（指下沉到特定深度后停止的颗粒）的研究工作。亨特注意到一些似乎与颗粒孔隙度相关的异常行为。

"我们在假设这些颗粒会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。"

这促使他们建立了关于孔隙度（特别是吸盐能力）如何影响颗粒下沉速率的新理论模型。该模型预测，颗粒相对于其尺寸能吸收的盐分越多，其下沉速度就越快。这意味着一个与直觉相悖的结论：小的多孔颗粒比大的颗粒下沉得更快。

为了验证该模型，研究人员开发了一种创建线性分层水体的方法，其中液体密度随深度逐渐增加。为此，他们用两个较小水箱（一个装淡水，另一个装盐水）的水源向一个大水箱供水。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，制造出由琼脂（一种从海藻中提取的凝胶状材料）制成、形状尺寸各异的颗粒。摄像机记录下单个颗粒的下沉过程。

实验证实了模型的预测。对于球形颗粒，较小的颗粒往往下沉更快。对于更薄或更扁平的颗粒，其沉降速度主要由最小尺寸决定。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，这些结果令人惊讶，可为理解粒子在更复杂生态环境中的沉降提供重要见解——无论是用于理解自然碳循环，还是设计加速大型水体中碳捕获的工程方法。

"我们并非试图完全复制海洋条件，"哈里斯说。"我们实验室的方法是将其简化为最基本形式，并思考这些复杂现象所涉及的基础物理原理。然后我们可以与在现场测量这些现象的人员进行反复交流，以理解这些基础原理在哪些情况下适用。"

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提供的见解。

该研究的其他合著者包括来自北卡罗来纳大学教堂山分校的罗伯托·卡马萨（Roberto Camassa）和理查德·麦克劳克林（Richard McLaughlin）。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, N00014-23-1-2478）资助。