Парадокс глубин: учёные нашли на дне то, что изменит климатологию

Глубины океана часто сравнивают с гигантским снежным шаром, где органические остатки, образующиеся в результате жизнедеятельности морских растений и животных, медленно опускаются на дно, смешиваясь с пылью и другими веществами.

Этот процесс, известный как "морской снег", играет важнейшую роль в круговороте углерода и питательных веществ в Мировом океане, обеспечивая баланс экосистем.

Недавно ученые из Университета Брауна и Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл провели исследование, которое раскрыло неожиданные особенности поведения частиц в стратифицированных жидкостях, таких как океаны, где плотность воды увеличивается с глубиной. Результаты их работы, опубликованные в одном из престижных научных журналов, показали, что скорость погружения частиц зависит не только от сопротивления жидкости, но и от того, насколько быстро они способны впитывать соль относительно своего объема.

Один из руководителей исследования, научный сотрудник инженерной школы, отметил, что их открытия переворачивают привычные представления: мелкие частицы могут опускаться на дно быстрее, чем крупные, что противоречит ожиданиям для жидкостей с однородной плотностью.

Исследователи выразили надежду, что их выводы помогут лучше понять процессы циркуляции питательных веществ в океане, а также поведение других пористых частиц, включая микропластик.

Еще один руководитель проекта, доцент инженерного факультета, подчеркнул, что им удалось разработать простую формулу, которая позволяет прогнозировать скорость погружения частиц, подставляя в нее такие параметры, как их размер или скорость изменения плотности жидкости. Он добавил, что такие инструменты всегда полезны для предсказания природных процессов.

Эта работа стала продолжением предыдущих исследований, в которых ученые изучали частицы с нейтральной плавучестью, то есть те, которые должны были останавливаться на определенной глубине. Однако один из авторов исследования заметил, что частицы продолжали тонуть, несмотря на ожидания, что их поведение связано с их пористостью.

Это наблюдение подтолкнуло команду к созданию новой теоретической модели, объясняющей, как способность частиц впитывать соль влияет на скорость их погружения. Согласно модели, чем больше соли может поглотить частица относительно ее размера, тем быстрее она опускается, что и объясняет более высокую скорость погружения мелких пористых частиц по сравнению с крупными.

Для проверки своей гипотезы ученые создали экспериментальную установку, имитирующую стратифицированный водоем, где плотность жидкости постепенно увеличивается с глубиной. Для этого они использовали большой резервуар, наполняемый водой из двух меньших емкостей — одна с пресной водой, другая с соленой. С помощью насосов они точно контролировали профиль плотности в резервуаре.

Далее команда изготовила частицы различной формы и размера, используя 3D-печать и агар — желеобразный материал, получаемый из морских водорослей. С помощью камер ученые фиксировали процесс погружения каждой частицы.

Эксперименты подтвердили предположения модели: мелкие сферические частицы опускались быстрее, чем крупные, а скорость погружения вытянутых или плоских частиц зависела от их наименьшего размера, что делало их быстрее сферических частиц того же объема.

Исследователи отметили, что их открытия имеют большое значение для понимания сложных экологических процессов, включая круговорот углерода, а также могут быть полезны для разработки технологий улавливания углерода в водоемах. Один из руководителей исследования пояснил, что их цель не в том, чтобы полностью воспроизвести океанические условия, а в том, чтобы изучить фундаментальные физические принципы, лежащие в основе этих явлений. Он добавил, что их подход позволяет упростить сложные процессы, чтобы затем применить полученные знания в реальных условиях совместно с океанографами и климатологами.

Эти открытия подчеркивают, насколько сложны и многогранны процессы, происходящие в глубинах океана, и открывают новые перспективы для изучения и управления экосистемами в условиях глобальных изменений.

Уточнения

Се́верная Кароли́на — штат на востоке США, один из так называемых Южно-Атлантических штатов. Столица — город Роли. Население — 10 453 948 (2020).