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物理研究人员发现沙丘可以“互相沟通”

2021-10-03 08:50:01来源:

即使他们是无生命的物体,沙丘也可以“互相沟通”。剑桥大学的一支球队发现,在他们移动时,沙丘与他们的下游邻居互动并击退。

使用实验的沙丘'赛道',研究人员观察到,两个相同的沙丘开始靠近,但随着时间的推移,他们进一步进一步走开了。这种相互作用由来自上游沙丘的湍流控制,推动下游沙丘。结果,在日间审查信中报告,是研究长期沙丘迁移的关键,这威胁着运输渠道,增加荒漠化,并可以埋头埋葬基础设施。

在实验水槽设置的沙丘。

当一堆沙子暴露在风或水流中时,它形成了一个沙丘形状,并开始流动下游移动。沙丘,无论是在沙漠中,河流底部还是海上床,都在隔离中很少发生,而是通常出现在大型群体中,形成称为沙丘田地或走廊的引人注目的图案。

众所周知,活跃的沙丘迁移。一般来说,沙丘的速度与其大小相反:较小的沙丘移动更快,较大的沙丘移动较慢。尚未理解的是,如果字段内的DUNES如何相互交互。

使用高速摄像机,研究人员能够在圆形水槽实验中跟踪沙丘的运动。

“关于沙丘互动有不同的理论:一个是不同大小的沙丘将碰撞,并继续碰撞,直到它们形成一个巨大的沙丘,尽管这种现象本质上尚未观察到,”博士博克斯(Karol Bacik)说。柬埔寨应用数学和理论物理系的候选人,以及本文的第一作者。“另一个理论是,沙丘可能碰撞和交换质量,像台球一样互相弹跳,直到它们的尺寸相同并以相同的速度移动,但我们需要通过实验验证这些理论。”

现在,Bacik和他的剑桥同事们已经显示出质疑这些解释的结果。“我们发现了以前没有成为模型的物理学,”德纳莱德·沃尔德博士说。

圆形小管允许研究人员研究沙丘的长期运动。

建模沙丘的行为的大部分工作是在数字上进行的,但vriend和她的实验室成员设计并构建了一个独特的实验设施,使他们能够观察他们的长期行为。填充含水的闪光是用于研究实验室环境中的沙丘运动的常用工具,但只能观察到沙丘直到它们到达坦克的末端。相反,剑桥研究人员建立了圆形水槽,使得当水槽旋转时,可以观察到几个小时的时间,而高速相机允许它们跟踪沙丘中的近硝颗粒的流动。

Bacik最初并不是为了研究两个沙丘之间的互动:“原来,我把多个沙丘放在坦克里只是为了加快数据收集,但我们没想到看他们如何开始互相互动,”他说。

两个沙丘以相同的体积和相同的形状开始。随着流程开始跨越两个沙丘,他们开始移动。“既然我们知道沙丘的速度与其高度有关,我们预计这两个沙丘会以相同的速度移动,”基于BP研究所的多相流动研究所的vriend说。“然而,这不是我们观察到的。”

最初,前后沙丘比后卫移动得更快,但随着实验的继续,前后沙丘开始减缓,直到两只沙丘几乎相同的速度移动。

至关重要的是,观察到两只沙丘的流动模式不同:流动偏转了前后沙丘,在后面的沙丘上产生“漩涡”并将其推开。“前海沙丘产生了我们在后面观察的湍流模式,”vriend说。“前后沙丘后面的流动结构就像船后面醒来,并影响下一个沙丘的性质。”

随着实验的继续,沙丘进一步进一步进一步,直到它们在圆形水槽的相对侧形成平衡,剩下180度。

研究的下一步是在沙漠中找到大规模和复杂的沙丘迁移的定量证据,使用观测和卫星图像。通过在长期追踪沙丘的群集,我们可以观察到遵守沙丘的迁移是否有效。

参考:“唤醒诱导水性沙丘的长期排斥”通过Karol A.Bacik,Sean Lovett,Colm-Cille P.Caulfield和Nathalie M.Vriend,2月4日2020年,物理评论信件.DOI:
10.1103 / physrevlett.124.054501

该研究部分由Schlumberger Cambridge Research Ltd.资助