Haal de bovenkant van een blikje gemengde noten en, kansen zijn, Paranoten zullen bovenaan staan. Dit fenomeen, van grote deeltjes die de neiging hebben om naar de top van mengsels te stijgen, terwijl kleine deeltjes de neiging hebben naar beneden te zinken, is in de volksmond bekend als het "paranoot-effect" en meer technisch als korrelige segregatie.

Kijk naar de top van een rivierbedding en het is gemakkelijk om een ​​parallel te trekken:de top van een rivierbedding is meestal bekleed met grotere kasseien, terwijl fijner zand en kleine grinddeeltjes de diepere lagen vormen.

Natuurkundigen die zich bezighouden met deeltjesbeweging hebben veel nagedacht over de mechanica waarmee deeltjes in dit soort scenario's sorteren, maar dat onderzoek is tot nu toe niet vertaald naar aardwetenschappen. In een nieuwe studie, geofysici van de Universiteit van Pennsylvania ontdekten dat granulaire segregatie helpt bij het verklaren van de neiging van rivierbeddingen om te worden omzoomd door, of "gepantserd" met, een laag van relatief grotere deeltjes.

Gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , de bevindingen vergroten het begrip van hoe rivierbeddingen zich vormen, met implicaties voor hoe rivieren ook kunnen eroderen. Maar het onderzoek levert ook nieuwe inzichten op in de fundamentele fysica van deeltjessegregatie, die van toepassing zijn op alle soorten korrelige materialen, van rivierbeddingen en bodems tot industriële en farmaceutische stoffen.

"Er is dit granulaire fenomeen van segregatie dat al tientallen jaren wordt bestudeerd, " zei Douglas J. Jerolmack, universitair hoofddocent bij de afdeling Aard- en Milieuwetenschappen in Penn's School of Arts and Sciences, "en dan is er nog een aparte verklaring van geologen en ingenieurs waarom rivierbeddingen een grove laag op het oppervlak krijgen, en de twee hadden elkaar nog nooit ontmoet. Onze belangrijkste bijdrage hier is echt het granulaire fysica-begrip van de segregatie van deeltjes - hoe grote deeltjes segregeren en naar de oppervlakte gaan - en het introduceren in het rivierprobleem."

Jerolmack werkte aan het werk samen met postdoctoraal onderzoekers Behrooz Ferdowsi, nu aan de Princeton University; Carlos P. Ortiz, nu bij Deloitte Consulting; en Morgane Houssais, nu aan de City University van New York. Bepantsering van rivierbeddingen wordt bijna universeel gezien en wordt gezien als een manier waarop rivieren overmatige erosie voorkomen.

"We noemen dit bepantsering omdat de grotere deeltjes als een pantser zijn dat de onderliggende rivierbedding beschermt tegen erosie, " zei Jerolmack. "Als er grote kasseien langs de rivierbedding zijn, dan heb ik een grote overstroming nodig om ze te verplaatsen."

Geologen hebben over het algemeen gedacht dat vloeistofmechanica dit patroon beheerst. Het rivierwater zou de fijnere deeltjes wegspoelen, de grotere deeltjes achterlatend.

Maar het door Penn geleide team erkende dat deze verklaring er niet in slaagde de rivierbedding op te vatten als een korrelig systeem, die ook onderhevig zou zijn aan het paranooteffect, niet alleen de schuifkracht van water.

Om te zien of granulaire segregatie van toepassing was in een vloeistofsysteem, de onderzoekers wendden zich tot een laboratorium-stand-in voor een rivier:een donutvormig kanaal gevuld met grote en kleine bolvormige deeltjes. Het deksel van het kanaal duwt de vloeistof bovenop de deeltjes, het nabootsen van de stroom van een rivier.

Zoals ze in een eerdere studie hadden aangetoond, deeltjes bewegen langs de rivierbedding door twee mechanismen:die aan de bovenkant worden geduwd door de vloeistofstroom, terwijl die dieper naar beneden kruipen langzaam door de interactie tussen deeltjes.

In het nieuwe werk het Penn-team wilde begrijpen hoe deze deeltjes niet alleen horizontaal maar ook verticaal in het bed bewogen.

Met behulp van hun op maat gemaakte kanaal en vloeistof ingebed met een fluorescerende kleurstof, Jerolmack en collega's waren in staat om door de hele diepte van het kanaal te scannen en het hele vlak van deeltjes te visualiseren, zelfs die begraven onder enkele tientallen andere deeltjes.

"Het is bijna alsof je een röntgenfoto maakt van ons korrelige monster, maar met een laser en foto's, ' zei Jerolmac.

Met behulp van een softwareprogramma, ze waren in staat om de horizontale en verticale posities van al deze deeltjes door de tijd heen te volgen. En ze zagen het paranooteffect in actie.

"In dit laboratoriumexperiment van een zeer vereenvoudigde rivier, "Jerolmack zei, "we zagen dat, als we een vloeistof hebben die korrels op de rivierbedding duwt, die korrels duwen korrels onder zich die korrels eronder duwen enzovoort, en het creëert deze duwende beweging waardoor grote deeltjes een soort van omhoog kunnen drijven. Dus we hebben bevestigd dat dit algemene gedrag dat wordt gezien in granulaire systemen ook lijkt voor te komen in rivieren."

Een andere belangrijke bevinding, bevestigd door computersimulaties die de wrijving verklaren die door elk deeltje in de rivierbedding wordt gevoeld, was dat deze scheiding van deeltjes naar grootte zich in twee fasen afspeelde. In de eerste, de grotere deeltjes nabij het oppervlak van de rivierbedding stegen op, terwijl degenen die in de diepere delen van het bed waren verpakt, bijna onbeweeglijk leken te blijven. Maar in een tweede fase deze kruipende, diepere korrels begonnen te sorteren, de grote worden af ​​en toe opgezogen in de sneller stromende deeltjes naar de top van de rivierbedding en verdringen zich naar boven.

"Eigenlijk was niemand gaan kijken of buitengewoon langzaam bewegende korrelige materialen bijdroegen aan segregatie, " zei Jerolmack. "De observatie dat we segregatie zagen gebeuren, dat grove deeltjes uit deze kruipende laag omhoog kwamen, is gloednieuw voor de wetenschap en heeft ook allerlei implicaties. Het zou kunnen verklaren hoe we segregatie zien gebeuren op langzaam bewegende plaatsen zoals bodems op een heuvel, waar we de neiging hebben om grove deeltjes aan het oppervlak te vinden, ondanks dat er geen vloeiende kracht over hen heen beweegt."

Onderzoekers hebben het moeilijk gevonden om te voorspellen wanneer rivieren eroderen, of wanneer hellingen oplossen in aardverschuivingen, en deze bevindingen kunnen helpen verklaren waarom deze voorspellingen zo ongrijpbaar zijn gebleken.

"We werken al 100 jaar aan deze problemen, en we kunnen nog steeds niet met veel zekerheid voorspellen welke vloeistofkracht ervoor zal zorgen dat korrels gaan eroderen, "Zei Jerolmack. "En dat punt verandert in de loop van de tijd. Riviertechnische projecten, bruggen en gebouwen zijn allemaal afhankelijk van schattingen van de erosiedrempel. Ik denk dat we helemaal opnieuw moeten beginnen met een nieuw raamwerk dat granulaire fysica omvat."

Hoewel deze experimenten en simulaties geen exacte replicatie kunnen bieden voor de complexe omstandigheden in rivieren, zoals turbulentie, Jerolmack merkt op dat de bevindingen wijzen op de noodzaak om aardwetenschappen te integreren met fundamenteel natuurkundig onderzoek om de kennis op beide gebieden te vergroten.

"Ons onvermogen om te voorspellen wanneer erosie zal optreden, ons onvermogen om te voorspellen wanneer een langzame, druipende hoop vuil op een heuvel zal plotseling een aardverschuiving worden, is omdat we tegen onze limiet aanlopen van het fundamentele begrip van hoe ongeordende materialen zich gedragen, "Zei Jerolmack. "We moeten ons begrip van de fundamentele fysica van ongeordende materialen vergroten om een ​​kans te hebben om voorspellingen te doen op het gebied van aarde-materialen. En dit is een probleem waarvan ik denk dat we daarmee een begin hebben gemaakt.

"Penn is een ideale plek om dit te doen, " zei hij. "Hier is een groot aantal natuurkundigen en ingenieurs met een brede en interdisciplinaire kijk op materiaalkunde. Samenwerkingen gefaciliteerd door het Materials Research Science and Engineering Center hebben dit soort werk mogelijk gemaakt."