Een nieuwe studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie vindt dat stapels zandkorrels, zelfs als het ongestoord is, zijn constant in beweging. Met behulp van zeer gevoelige optische interferentiegegevens, onderzoekers van de University of Pennsylvania en Vanderbilt University presenteren resultaten die bestaande theorieën in zowel de geologie als de natuurkunde over het gedrag van bodems en andere soorten ongeordende materialen in vraag stellen.

De meeste mensen worden zich pas bewust van bodembeweging op hellingen wanneer de bodem plotseling zijn stevigheid verliest, een fenomeen dat bekend staat als opbrengst. "Zeg dat je grond op een heuvel hebt. Dan, als er een aardbeving is of het regent, dit materiaal dat schijnbaar vast is, wordt een vloeistof, ", zegt hoofdonderzoeker Douglas Jerolmack van Penn. "Het heersende raamwerk behandelt dit falen alsof het een barst is. De reden dat dat problematisch is, is omdat je het materiaal modelleert op basis van een solide mechanisch criterium, maar je modelleert het op het punt waarop het een vloeistof wordt, dus er is een inherente tegenstrijdigheid."

Een dergelijk model houdt in dat, onder de opbrengst is de grond een vaste stof en mag daarom niet stromen, maar de grond "stroomt" langzaam en aanhoudend onder zijn vloeigrens in een proces dat bekend staat als kruip. De overheersende geologische verklaring voor bodemkruip is dat het wordt veroorzaakt door fysieke of biologische verstoringen, zoals vries-dooi cycli, omgevallen bomen, of gravende dieren, die handelen om grond te verplaatsen.

In dit onderzoek, hoofdauteur en Penn Ph.D. kandidaat Nakul S. Deshpande was geïnteresseerd in het observeren van individuele zanddeeltjes in rust die, gebaseerd op bestaande theorieën, geheel onbeweeglijk moet zijn. "Onderzoekers hebben modellen gebouwd door bepaalde gedragingen van de grondkorrels in kruip aan te nemen, maar niemand had eigenlijk direct waargenomen wat de korrels doen, ', zegt Deshpande.

Om dit te doen, Deshpande zette een reeks schijnbaar eenvoudige experimenten op, het maken van zandhopen in kleine plexiglas dozen bovenop een trillingsisolatie werktafel. Vervolgens gebruikte hij een laserlichtverstrooiingstechniek genaamd diffusiegolfspectroscopie, die gevoelig is voor zeer kleine graanbewegingen. "De experimenten zijn technisch uitdagend, Deshpande zegt over dit werk. "De techniek naar deze resolutie pushen is nog niet gebruikelijk in de natuurkunde, en de aanpak heeft geen precedent in geowetenschappen of geomorfologie."

Deshpande en Jerolmack werkten ook samen met Paulo Arratia, een oude medewerker, die het Penn Complex Fluids Lab runt, om hun data te verbinden met frameworks uit de natuurkunde, materiaal kunde, en engineering om analoge systemen en theorieën te vinden die hun resultaten kunnen helpen verklaren. David Furbish van Vanderbilt, die statistische fysica gebruikt om te bestuderen hoe deeltjesbewegingen grootschalige landschapsveranderingen beïnvloeden, gaf een verklaring waarom eerdere modellen fysiek ontoereikend waren en niet strookten met wat de onderzoekers hadden gevonden.

De eerste experimenten waren schijnbaar eenvoudig:giet een hoop zand in de doos, laat het zitten, en kijk met de laser. Maar de onderzoekers ontdekten dat, terwijl intuïtie en heersende theorieën zeggen dat de ongestoorde zandhopen statisch moeten zijn, zandkorrels zijn in feite een massa van constante beweging en gedragen zich als glas.

"Op elke manier waarop we het zand kunnen meten, het is ontspannend als een verkoelend glas, " zegt Deshpande. "Als je een fles zou nemen en het zou smelten, vries het dan weer in, dat gedrag van die moleculen in dat koelglas zijn, op elke manier die we kunnen meten, net als het zand."

in de natuurkunde, glas en gronddeeltjes zijn klassieke voorbeelden van een "ontregeld" systeem, een waarvan de samenstellende deeltjes willekeurig zijn gerangschikt in plaats van kristallijn, goed gedefinieerde structuren. Terwijl ongeordende materialen, een belangrijk aandachtsgebied van Penn's Materials Research Science &Engineering Center, delen een aantal veelvoorkomende gedragingen in termen van hoe ze vervormen bij stress, er is een belangrijk verschil tussen glas en een hoop zand. De moleculen waaruit glas bestaat, bewegen altijd willekeurig met een snelheid die afhangt van de temperatuur, maar daarvoor zijn zandkorrels te groot. Daarom, natuurkundigen verwachten dat een hoop zand "vastgelopen" en onbeweeglijk zou zijn, maar deze nieuwste bevindingen presenteren een nieuwe manier van denken over bodem voor onderzoekers in zowel natuurkunde als geologie.

Een ander verrassend resultaat was dat de snelheid van kruipende grond kon worden gecontroleerd op basis van de soorten verstoringen die werden gebruikt. Terwijl de ongestoorde zandhoop bleef kruipen zolang de onderzoekers zagen, de snelheid van deeltjesbeweging vertraagd door de tijd in een proces dat veroudering wordt genoemd. Toen zanddeeltjes werden verwarmd, deze veroudering werd omgekeerd, zodat de kruipsnelheid weer terugliep naar hun oorspronkelijke waarde. Tikken op de stapel, in tegenstelling tot, versnelde veroudering.

"We hebben de neiging om te denken aan dingen die de grond naar opbrengst drijven, zoals beven van een aardbeving die een aardverschuiving veroorzaakt, maar andere verstoringen in de natuur drijven de bodem mogelijk verder weg van de opbrengst, of het moeilijker maken voor een aardverschuiving, ", zegt Jerolmack. "Nakul's vermogen om het verder of dichter bij de opbrengst af te stemmen, was als een bom die voor ons afging, en dit is een geheel nieuw gebied."

Op korte termijn, de onderzoekers werken aan vervolgexperimenten om de effecten van gelokaliseerde verstoringen na te bootsen met behulp van magnetische sondes om te begrijpen hoe verstoringen een systeem verder weg of dichter bij de opbrengst kunnen brengen. Ze kijken ook naar gegevens van veldwaarnemingen, van natuurlijke bodemkruip tot catastrofale aardverschuivingen, om te zien of ze hun laboratoriumexperimenten kunnen koppelen aan wat waarnemers in het veld zien, mogelijk nieuwe manieren mogelijk maken om catastrofale landschapsstoringen te detecteren voordat ze zich voordoen.

De onderzoekers hopen dat hun werk een startpunt kan zijn voor het verfijnen van bestaande theorieën die steunen op een paradigma dat, als een heuvel waarvan de bodemdeeltjes in de loop van de tijd zijn verschoven, houdt geen gewicht meer. "Als je iets echt contra-intuïtief en nieuws waarneemt, het gaat nu lang duren voordat dat een model wordt om te gebruiken, "zegt Jerolmack. "Ik hoop aan de geowetenschappelijke kant dat mensen met geavanceerde tools en technieken en ervaring zullen verdergaan waar we zijn geëindigd en zeggen:'Ik heb een nieuw idee voor het zoeken naar deze handtekening in het veld waar je niet aan had gedacht' - die natuurlijke overdracht van schalen, vaardigheden en interesses."