Глубины мирового океана часто выглядят как медленно кружащийся снежный шар. Органические остатки растений и животных, опускаясь со светящихся верхних слоев, формируют вместе с пылью и минеральными включениями загадочное и красивое явление — «морской снег». Эти частицы играют ключевую роль в круговороте углерода и питательных веществ, помогая очищать атмосферу от углекислого газа и питая глубоководные экосистемы.
Исследователи из университетов Брауна и Северной Каролины (США) открыли новый физический эффект: в стратифицированной (такой, в которой плотность меняется при изменении глубины) морской воде мелкие пористые частицы могут опускаться быстрее крупных. Статья с результатами опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Это полностью противоречит нашим базовым ожиданиям от поведения объектов в жидкости. Мы привыкли думать, что крупные объекты тонут быстрее. Но в стратифицированной воде ситуация совсем иная.
Ключ к разгадке — в способности пористых частиц поглощать соль. Как показало моделирование и эксперименты, чем больше соли частица может впитать по отношению к своему объему, тем быстрее она теряет плавучесть и тонет. А так как у мелких частиц площадь поверхности относительно объема больше, они поглощают соль эффективнее и, как ни парадоксально, опускаются быстрее.
Чтобы проверить гипотезу, исследователи создали контролируемую среду с линейным изменением плотности воды. Они использовали два резервуара с соленой и пресной водой, сливая их в третий, чтобы добиться постепенного увеличения плотности по глубине. Затем они напечатали на 3D-принтере частицы из агара (геля, полученного из морских водорослей) разных форм и размеров. С помощью камер они отслеживали поведение этих частиц при погружении.
Результаты подтвердили модель: более мелкие сферические частицы опускались быстрее. А вытянутые частицы, такие как тонкие диски, тонули еще быстрее при одинаковом объеме. Это особенно важно для оценки поведения микропластика и других загрязнителей в морской среде, которые часто имеют неправильную, плоскую или волокнистую форму.
Хотя исследование не имитирует условия реального океана в полной мере, оно дает мощный инструмент для понимания фундаментальных физических процессов, происходящих в природе. По мнению исследователей, их работа может существенно повлиять на будущие модели оседания углерода в океане, а также на разработку технологий активного захвата углерода из атмосферы, например, через искусственное стимулирование оседания частиц в глубоководье.
Ранее Наука Mail рассказывала, что физики выяснили, как ведут себя вихри в квантовых жидкостях.