Океанские глубины нередко метафорически представляют как огромный снежный ком, где останки органики, возникающие в ходе жизни морских существ и растений, медленно оседают на дно, смешиваясь с разными элементами и взвесью.
Этот процесс, известный под поэтичным названием "морской снег", критически важен для оборота углерода и питательных компонентов в мировом океане, поддерживая сбалансированность морских экосистем.
Недавняя работа ученых из Университета Брауна и Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл выявило неожиданные аспекты поведения взвешенных частиц в слоистых жидкостях, наподобие океанов, где плотность воды растет по мере углубления. Результаты их работы, представленные в авторитетном научном издании, показали, что скорость погружения элементов определяется не только сопротивлением жидкости, но и тем, насколько интенсивно они поглощают соль относительно своего размера.
Один из руководителей исследования, научный сотрудник инженерного факультета, указал, что их открытия меняют устоявшиеся представления: небольшие частицы способны оседать быстрее крупных, что противоречит логике для жидкостей с равномерной плотностью.
Исследовательская группа надеется, что полученные данные позволят лучше понимать процессы обмена питательными веществами в океане, а также поведение других пористых элементов, в том числе микропластика.
Ученые говорят, что им удалось создать простую формулу, позволяющую прогнозировать скорость оседания частиц, используя такие параметры, как их габариты или скорость изменения плотности жидкости. Подобные инструменты полезны для прогнозирования естественных явлений.
Данная работа стала продолжением предыдущих исследований, где ученые изучали частицы с нейтральной плавучестью, то есть те, которые должны были оставаться на определенной глубине. Однако, как отметил один из авторов, эти частицы продолжали тонуть, несмотря на ожидания, и это, вероятно, связано с их пористостью.
Это наблюдение побудило команду разработать новую теоретическую модель, объясняющую, как способность частиц впитывать соль оказывает влияние на скорость их погружения. Согласно этой модели, чем больше соли частица способна впитать относительно ее размера, тем быстрее она погружается, что объясняет более быстрое оседание небольших пористых частиц по сравнению с большими.
Для подтверждения гипотезы ученые сконструировали экспериментальную установку, имитирующую слоистый водоем, где плотность жидкости постепенно увеличивается с глубиной. Для этого они использовали большой резервуар, заполняемый водой из двух меньших емкостей – одна с пресной водой, а другая с соленой. С помощью насосов они тщательно регулировали градиент плотности в резервуаре.
Затем команда изготовила частицы разнообразной формы и величины, используя 3D-печать и агар – гелеобразный материал, получаемый из морских водорослей. С помощью камер ученые регистрировали процесс погружения каждой частицы.
На основании проведенных опытов, теория нашла свое подтверждение: скорость оседания небольших шарообразных элементов была выше, чем у крупных. В то же время, скорость погружения частиц с удлиненной или плоской формой определялась их минимальным габаритом, что обеспечивало им преимущество в скорости перед сферическими частицами аналогичного объема.
Ученые подчеркнули, что результаты их работы играют важную роль в понимании сложных экологических процессов, в частности, цикла углерода, и могут быть использованы при создании технологий для захвата углерода в водных средах. Руководитель исследования отметил, что целью являлось не полное моделирование океанической среды, а изучение фундаментальных физических законов, лежащих в основе этих явлений. Он добавил, что такой подход позволяет упростить сложные процессы для последующего применения полученных знаний в реальных условиях совместно со специалистами в области океанографии и климата.
Полученные данные демонстрируют сложность и многогранность процессов, протекающих в глубинах океана, и открывают новые горизонты для изучения и управления экосистемами в условиях глобальных климатических изменений.
Изображение phys.org
