海雪：为什么小颗粒下沉得更快
深海通常看起来像现实生活中的雪球。 当来自表面植物和动物物质的有机颗粒向下下沉时，它们与灰尘和其他物质结合形成“海洋雪”，这是海洋天气的美丽展示，在碳和其他营养物质在世界海洋中的循环中起着至关重要的作用。 现在，来自布朗大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员发现了关于粒子如何沉入的令人惊讶的新见解像海洋这样的分层流体，其中流体的密度随深度而变化。 在发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，他们表明，粒子下沉的速度不仅取决于流体的阻力，还取决于它们相对于其体积吸收盐分的速度。 “这基本上意味着较小的粒子比较大的粒子下沉得更快，”布朗大学工程学院的博士后研究员罗伯特·亨特 （Robert Hunt） 说谁领导了这项工作。 “这与您对具有均匀密度的流体的期望完全相反。” 研究人员希望这些新见解可以帮助了解海洋营养循环，以及包括微塑料在内的其他多孔颗粒的沉降。 “我们最终得到了一个非常简单的公式，你可以插入不同参数的估计值——颗粒的大小或液体密度变化的速度——并获得下沉的速度，“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 （Daniel Harris） 说。 “拥有易于获得的预测能力是有价值的。” 这项研究源于 Hunt 和 Harris 之前对中性浮力粒子的研究，即那些沉到一定深度然后停止的粒子。 Hunt 注意到一些奇怪的行为，这些行为似乎与颗粒的孔隙率有关。 “我们正在测试一个理论，假设这些粒子将保持中性浮力，“亨特说。 “但当我们观察它们时，它们一直在下沉，这实际上有点令人沮丧。” ：这导致了一个新的理论模型，即孔隙度——特别是吸收盐的能力——将如何影响它们的下沉速度。 该模型预测，相对于其大小，颗粒可以吸收的盐分越多，它下沉的速度就越快。 这意味着，有点违反直觉的是，小的多孔颗粒比较大的多孔颗粒下沉得更快。 要测试模型，研究人员开发了一种制作线性分层水体的方法，其中液体的密度随着深度的增加而逐渐增加。 为此，他们用两个小浴缸中的水给一个大浴缸喂食，一个是淡水，另一个是盐水。 每个桶的可控泵使他们能够仔细控制较大桶的密度分布。 然后使用 3D 打印模具，该团队用琼脂（一种源自海藻的凝胶状材料。 摄像机对下沉的单个颗粒进行了成像。 实验证实了模型的预测。 对于球形粒子，较小的粒子往往下沉得更快。 对于更薄或更平坦的颗粒，它们的沉降速度主要取决于其最小尺寸。 这意味着细长的颗粒实际上比相同体积的球形颗粒下沉得更快。 研究人员表示， 的结果令人惊讶，并且可能提供关于颗粒如何在更复杂的生态环境中沉降的重要见解 - 无论是为了理解自然碳循环，还是为了设计加速大型水体中碳捕获的方法。 “我们并不是试图复制完整的海洋条件，”哈里斯说。 “我们实验室的方法是将事物归结为最简单的形式，并思考这些复杂现象所涉及的基本物理学。 然后，我们可以与测量这些了解这些基本原理在哪些方面是相关的。 Harris 表示，他希望与海洋学家和气候科学家建立联系，看看这些新发现可能提供什么见解。 该研究的其他合著者是来自 UNC Chappel Hill 的 Roberto Camassa 和 Richard McLaughlin。 该研究由美国国家科学基金会（DMS-1909521、DMS-1910824、DMS-2308063）和海军研究办公室（N00014-18-1-2490 和 N00014-23-1-2478）资助。