«فیزیک کثیف»: آیا می‌دانستید لجن‌ها هم می‌توانند حرکت کنند؟

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، نمونه‌هایی از لجن‌های فاجعه‌بار مونته‌سیتو در سال ۲۰۱۸ توسط محققانی به رهبری داگلاس جرولمک و پائولو آرراتیا از پن برای درک بهتر نیرو‌های پیچیده‌ای که در این بلایا بازی می‌کنند، مورد استفاده قرار گرفتند.

آتش سوزی توماس که در اوایل دسامبر ۲۰۱۷ آغاز شد، تقریباً ۳۰۰۰۰۰ هکتار را در جنوب کالیفرنیا سوخت. گرمای شدید شعله‌های آتش نه تنها گیاهان و درختان را در دامنه تپه‌های بالای مونتسیتو از بین برد، بلکه ریشه‌های آن‌ها را نیز تبخیر کرد.

یک طوفان قدرتمند یک ماه بعد، در ساعات اولیه صبح روز ۹ ژانویه، بیش از نیم اینچ باران را در مدت پنج دقیقه بر روی دامنه‌های بایر ریخت. خاک بی ریشه به دوغابی قدرتمند تبدیل شد که با عجله از دره‌ای که توسط یک نهر ایجاد شده بود، فرود آمد و جمع شد. در عجله خود از صخره‌ها بالا می‌رود، قبل از اینکه در پایین پخش شود و به خانه‌ها برخورد کند. این فاجعه جان ۲۳ نفر را گرفت.

آیا می‌شد از این فاجعه جلوگیری کرد؟ در چه نقطه‌ای یک شیب جامد مانند مایع شروع به ترشح می‌کند؟ تحقیقات جدیدی که توسط تیمی به رهبری داگلاس جرولمک از دانشکده هنر و علوم پن و دانشکده مهندسی و علوم کاربردی، با همکاری پائولو آرراتیا از مهندسی پن و محققان دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا (UCSB) انجام شده است، به این سؤالات پاسخ می‌دهد.

با استفاده از فیزیک پیشرفته آن‌ها آزمایش‌های آزمایشگاهی را برای ارزیابی چگونگی ارتباط شکست و رفتار جریان نمونه‌های لجن‌کشی Montecito با خواص مواد خاک انجام دادند. یافته‌های آن‌ها اخیراً در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.

گل و لای ۲۰۱۸ که به دنبال آتش سوزی و سپس باران شدید رخ داد، قدرتمند و مخرب بود. در اینجا، "خط گل" نشان می‌دهد که چقدر آن‌ها به خانه‌های مونتسیتو، کالیفرنیا سرازیر شده اند. منبع: داگلاس جرولمک

جرولمک می‌گوید: ما آنجا نبودیم که این اتفاق بیفتد، اما ایده ما این بود که آیا می‌توانیم با اندازه‌گیری چگونگی جریان مخلوط آب و خاک در هنگام وقوع، در مورد روند چگونگی از دست دادن صلبیت یک تپه جامد چیزی بیاموزیم. در غلظت‌های مختلف؟

ادغام نظری و کاربردی

در طول زمستان ۲۰۱۸، جرولمک در تعطیلات بود و به مؤسسه فیزیک نظری Kavli در UCSB سفر کرد -، اما نه برای مطالعه رانش گل. او می‌گوید: این مکانی است که می‌توان مشکلاتی را که موضوعات مرزی در فیزیک هستند، حل کرد. من یک ژئوفیزیکدان هستم، اما آنجا نبودم که علوم زمین انجام دهم. من آنجا بودم تا در مورد آن فیزیک مرزی، به ویژه در مورد فیزیک تعلیق‌های متراکم، بیاموزم.

با این حال، سه روز پس از ورود جرولمک، جریان زباله رخ داد. حدود یک ماه بعد، زمانی که انجام این کار بی خطر بود، توماس دان، زمین شناس در UCSB و یکی از نویسندگان مقاله، از او دعوت کرد تا نمونه‌هایی از مونتسیتو جمع آوری کند.

کار تلخی بود برخی از نمونه‌ها از بقایای ویران‌شده خانه‌ها به دست آمده‌اند، جایی که جریان‌های گل از دامنه تپه به اندازه‌ای قوی بود که تخته‌های عظیم را از بستر نهر به سمت بالا و گاهی اوقات از طریق خانه‌ها فشار می‌داد. جرولمک می‌گوید: زمانی که به دهانه دره نزدیک شدیم، تقریباً مانند یک فالانکس از تخته سنگ بود. خانه‌ها تا سقفشان دفن شدند. ماشین‌ها پودر شده و غیرقابل تشخیص بودند.

با بازگرداندن نمونه‌ها به آزمایشگاه، هدف محققان مدل‌سازی چگونگی تأثیر ترکیب گل و تنش‌هایی بود که هنگام شروع به جریان افتادن آن، بر نیرو‌هایی که به مواد سفتی می‌دهند، غلبه می‌کند، چیزی که دانشمندان آن را «حالت گیر» می‌نامند. 

این اولین بار نیست که مهندسان و دانشمندان این نوع مدل‌سازی را از نمونه‌های میدانی انجام می‌دهند. برخی از مطالعات با قرار دادن بیل‌هایی از خاک و گل در رئومتر‌های بزرگ، دستگاهی که نمونه‌ها را به‌سرعت می‌چرخاند تا ویسکوزیته آن‌ها را اندازه‌گیری کند، یا اینکه چگونه جریان آن‌ها به یک نیروی تعریف‌شده پاسخ می‌دهد، شرایط را در میدان شبیه‌سازی کنند.

با این حال، رئومتر‌های معمولی تنها در صورتی نتایج دقیق می‌دهند که یک ماده همگن و به خوبی مخلوط شود، نه مانند نمونه‌های Montecito که حاوی مقادیر مختلفی خاکستر، خاک رس و سنگ بود.

رئومتر‌های با تکنولوژی پیشرفته و حساس تر، که ویسکوزیته مقادیر کوچک را اندازه گیری می‌کنند، می‌توانند بر این اشکال غلبه کنند. اما آن‌ها با دیگری همراه می‌شوند: نمونه‌هایی که حاوی ذرات بزرگ‌تر هستند - مثلاً سنگ‌هایی در گل - می‌توانند عملکرد ظریف آن‌ها را مسدود کنند.

جرولمک می‌گوید: ما متوجه شدیم که اگر از این دستگاه بسیار حساس استفاده کنیم، می‌توانیم اندازه‌گیری‌هایی را انجام دهیم که می‌دانیم قابل اعتماد و دقیق هستند، حتی اگر به قیمت حذف درشت‌ترین مواد از نمونه‌هایمان باشد.

یک سیگنال واضح از نمونه‌های «کثیف»

این تحقیق به تخصص هر یک از اعضای تیم متکی بود. دکتر حدیث متین پور UCSB اولین نمونه‌ها را تهیه، ضبط و ترسیم کرد و ترکیب ذرات طبیعی را تجزیه و تحلیل کرد. سارا هابر، در آن زمان دستیار تحقیقاتی در پن، ترکیب شیمیایی مواد، از جمله مقادیر مهمی مانند محتوای خاک رس را تعیین کرد.

جرولمک می‌گوید: ما همه این داده‌های خام را داشتیم و در درک آن مشکل داشتیم. رابرت کوستینیک، که در آن زمان دانشجوی کارشناسی ارشد در پن بود، پروژه را برای پایان نامه خود انتخاب کرد و حجم عظیمی از کار را انجام داد و به سازماندهی، تفسیر و تلاش برای جمع کردن بسیاری از داده‌ها فکر کرد.

این مشارکت‌ها بر درک فیزیک پیشرفته مربوط به نیرو‌هایی که در تعلیق‌های متراکم کار می‌کنند متکی بود. این‌ها شامل اصطکاک است، زیرا ذرات روی یکدیگر ساییده می‌شوند. روغن کاری، اگر یک لایه نازک از آب به ذرات کمک کند تا از روی یکدیگر بلغزند. یا انسجام، اگر ذرات چسبنده مانند خاک رس به یکدیگر متصل شوند.

جرولمک می‌گوید: ما جسارت یا شاید ساده لوحی را داشتیم که سعی کنیم برخی از پیشرفت‌های واقعاً اخیر در فیزیک را در یک ماده واقعاً درهم و برهم به کار ببریم.

پسادکتر پن، شروان پرادیپ، که پیشینه عمیقی در رئولوژی، یا مطالعه چگونگی جریان مواد پیچیده دارد، نیز به این تیم پیوست. او دقیقاً به این نکته اشاره کرد که چگونه خواص مواد خاک - اندازه ذرات و محتوای رس - خواص شکست و جریان آن را تعیین می‌کند. تجزیه و تحلیل او نشان داد که درک چسبندگی ذرات، که به عنوان «تنش تسلیم» اندازه‌گیری می‌شود، و اینکه چقدر ذرات می‌توانند در «حالت جمد» به یکدیگر بسته شوند، تقریباً می‌تواند به طور کامل نتایج مشاهده‌شده در نمونه‌های Montecito را توضیح دهد.

جرولمک می‌گوید استرس حاصل از خمیردندان یا ژل مو را می‌توان تصور کرد. در یک لوله، این مواد جریان ندارند. تنها زمانی که نیرویی به لوله وارد شود - فشاری محکم - شروع به جریان می‌کنند. حالت گیر می‌تواند به عنوان نقطه‌ای در نظر گرفته شود که در آن ذرات به قدری در کنار هم قرار می‌گیرند که نمی‌توانند از کنار یکدیگر عبور کنند.

جرولمک می‌گوید: آنچه که ما متوجه شدیم جریان زباله‌ها بود، وقتی به شدت به آن‌ها فشار نمی‌آورید، رفتار آن‌ها کاملاً تحت تأثیر استرس تسلیم است. اما هنگامی که شما به شدت فشار می‌آورید - نیروی گرانش که زباله را به سمت پایین یک کوه می‌برد - رفتار چسبناک غالب می‌شود و با فاصله چگالی ذرات از حالت گیر تعیین می‌شود.

در آزمایشگاه، محققان نتوانستند شکست را شبیه‌سازی کنند، نقطه‌ای که در آن یک خاک جامد، که توسط «جمع‌کردن» محدود می‌شود، به یک گل متحرک تبدیل می‌شود. اما آن‌ها توانستند برعکس را تقریب بزنند و مواد گل آلود مخلوط شده با آب در غلظت‌های مختلف را ارزیابی کنند تا حالت گیر کرده را برون یابی کنند.

آرراتیا می‌گوید: زیبایی آن در این است که وقتی نمونه‌هایی از طبیعت می‌گیرید، می‌توانند از نظر ترکیب، میزان خاکستری که دارند و مکانی که از آن جمع‌آوری کرده‌اید، در همه جا باشند. با این حال، در پایان، تمام داده‌ها در یک منحنی اصلی جمع شدند. این به شما می‌گوید که اکنون، شما یک درک جهانی دارید که می‌داند آیا در آزمایشگاه هستید یا در کوه‌های مونته‌سیتو.

با تغییرات آب و هوایی، فراوانی و شدت آتش‌سوزی در بسیاری از مناطق و همچنین شدت رویداد‌های بارندگی در حال افزایش است. بنابراین، خطر رانش گل و لای فاجعه بار به این زودی‌ها از بین نمی‌رود.

به گفته محققان، یافته‌های جدید برای پیش‌بینی تنش تسلیم و وضعیت گیر کرده می‌تواند به مدل‌سازی کمک کند که دولت‌های فدرال و محلی برای شبیه‌سازی جریان زباله‌ها انجام می‌دهند. جرولمک می‌گوید: بگویید، اگر باران به این شدت می‌بارد و من این نوع مواد را داشته باشم، با چه سرعتی می‌رود و چقدر دور می‌آید؛ و به طور کلی تر، جرولمک و همکارانش امیدوارند این کار، که علوم نظری و تجربی را با هم ترکیب می‌کند، به چنین رویکرد‌های بین رشته‌ای بیشتری منجر شود.

ما می‌توانیم اکتشافات اخیر در فیزیک را انجام دهیم و در واقع آن‌ها را مستقیماً به یک مشکل معنی‌دار محیطی یا ژئوفیزیکی مرتبط کنیم.