L'océan profond peut souvent ressembler à un globe de neige réel. Comme les particules organiques de la plante et de l'animal comptent sur l'évier de surface vers le bas, ils se combinent avec la poussière et d'autres matériaux pour créer « neige marine, » Une belle démonstration de temps océanique qui joue un rôle crucial dans le cyclisme du carbone et d'autres nutriments à travers les océans du monde.
Maintenant, des chercheurs de l'Université Brown et de l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill ont trouvé de nouvelles perspectives surprenantes sur la façon dont les particules coulent dans les liquides stratifiés comme les océans, où la densité du fluide change avec la profondeur. Dans une étude publiée dans Actes de l'Académie nationale des sciencesils montrent que la vitesse à laquelle les particules coulent sont déterminées non seulement par des forces de traînée résistives du liquide, mais par la vitesse à laquelle ils peuvent absorber le sel par rapport à leur volume.
« Cela signifie essentiellement que les particules plus petites peuvent couler plus rapidement que les plus grandes, » a déclaré Robert Hunt, un chercheur postdoctoral à l'école d'ingénierie de Brown qui a dirigé le travail. « C'est exactement l'opposé de ce que vous attendez dans un liquide qui a une densité uniforme. »
Les chercheurs espèrent que les nouvelles idées pourraient aider à comprendre le cycle des nutriments de l'océan, ainsi que le décantation d'autres particules poreuses, y compris les microplastiques.
« Nous nous sommes retrouvés avec une formule assez simple où vous pouvez brancher des estimations pour différents paramètres – la taille des particules ou de la vitesse à laquelle la densité liquide change – et obtenait des estimations raisonnables de la vitesse de naufrage, » a déclaré Daniel Harris, professeur agrégé d'ingénierie à Brown qui a supervisé le travail. « Il est utile d'avoir un pouvoir prédictif facilement accessible. »
L'étude est née des travaux antérieurs de Hunt et Harris enquêtant sur les particules de flottabilité neutre – celles qui coulent à une certaine profondeur puis s'arrêtent. Hunt a remarqué un comportement étrange qui semblait être lié à la porosité des particules.
« Nous testions une théorie en supposant que ces particules resteraient neutres, » Dit Hunt. « Mais quand nous les avons observés, ils ont continué à couler, ce qui était en fait un peu frustrant. »
Cela a conduit à un nouveau modèle théorique de la façon dont la porosité, en particulier, la capacité d'absorber le sel – affecterait la vitesse à laquelle ils ont coulé. Le modèle prédit que plus une particule peut absorber de sel par rapport à sa taille, plus elle coule rapidement. Cela signifie, quelque peu contre-intuitivement, que de petites particules poreuses coulent plus rapidement que les plus grandes.
Pour tester le modèle, les chercheurs ont développé un moyen de fabriquer un plan d'eau stratifié linéairement dans lequel la densité du liquide a augmenté progressivement avec la profondeur. Pour ce faire, ils ont nourri une grande baignoire avec de l'eau provenant de deux petits baignoires, l'une avec de l'eau douce et l'autre avec de l'eau salée. Les pompes contrôlables de chaque baignoire leur ont permis de contrôler soigneusement le profil de densité de la baignoire plus grande.
À l'aide de moules imprimés en 3D, l'équipe a ensuite créé des particules de formes et de tailles variables en gélose, un matériau gélatine dérivé des algues. Les caméras ont imaginé des particules individuelles à mesure qu'elles coulaient.
Les expériences ont confirmé les prédictions du modèle. Pour les particules sphériques, les plus petites avaient tendance à couler plus rapidement. Pour les particules plus minces ou plus plates, leur vitesse de décantation a été principalement déterminée par leur plus petite dimension. Cela signifie que les particules allongées coulent en fait plus rapidement que celles sphériques du même volume.
Les résultats sont surprenants, ont déclaré les chercheurs, et pourraient fournir des informations importantes sur la façon dont les particules se réglaient dans des environnements écologiques plus complexes, soit pour comprendre le cycle du carbone naturel, soit pour les moyens d'ingénierie de vitesse de capture du carbone dans de grands plans d'eau.
« Nous n'essayons pas de reproduire les conditions océaniques complètes, » Dit Harris. « L'approche de notre laboratoire consiste à résumer les choses à leur forme la plus simple et à réfléchir à la physique fondamentale impliquée dans ces phénomènes complexes. Ensuite, nous pouvons travailler d'avant en arrière avec des personnes mesurant ces choses dans le domaine pour comprendre où ces fondamentaux sont pertinents. »
Harris dit qu'il espère se connecter avec les océanographes et les climatologues pour voir quelles idées ces nouvelles découvertes pourraient fournir.
Les autres co-auteurs de la recherche étaient Roberto Camassa et Richard McLaughlin de l'UNC Chapel Hill.
