En ny studie publicerad i Naturkommunikation finner att högar av sandkorn, även om det är ostört, är i ständig rörelse. Med hjälp av mycket känsliga optiska störningsdata, forskare från University of Pennsylvania och Vanderbilt University presenterar resultat som utmanar befintliga teorier inom både geologi och fysik om hur jordar och andra typer av störda material beter sig.

De flesta människor blir bara medvetna om markrörelser på sluttningar när jorden plötsligt tappar sin styvhet, ett fenomen som kallas avkastning. "Säg att du har jord på en sluttning. Sedan, om det finns en jordbävning eller det regnar, detta material som tydligen är fast blir en vätska, "säger huvudutredaren Douglas Jerolmack från Penn." Den rådande ramen behandlar detta misslyckande som om det är en spricka. Anledningen till att det är problematiskt är att du modellerar materialet efter ett gediget mekaniskt kriterium, men du modellerar det vid den tidpunkt då det blir en vätska, så det finns en inneboende motsägelse. "

En sådan modell innebär att, under avkastningen är jorden fast och bör därför inte flyta, men jorden "flyter" långsamt och ihållande under dess avkastningspunkt i en process som kallas krypning. Den rådande geologiska förklaringen till markskryp är att det orsakas av fysiska eller biologiska störningar, såsom frys-tin-cykler, fallna träd, eller grävande djur, som verkar för att flytta jord.

I den här studien, huvudförfattare och Penn Ph.D. kandidaten Nakul S. Deshpande var intresserad av att observera enskilda sandpartiklar i vila som, baserat på befintliga teorier, borde vara helt orörlig. "Forskare har byggt modeller genom att anta vissa beteenden hos markkornen i kryp, men ingen hade faktiskt direkt observerat vad kornen gör, "säger Deshpande.

Att göra detta, Deshpande satte upp en serie till synes enkla experiment, skapa sandhögar i små plexiglaslådor ovanpå ett arbetsbord med vibrationsisolering. Han använde sedan en laserljusspridningsteknik som kallas diffusionsvågspektroskopi, som är känslig för mycket små kornrörelser. "Experimenten är tekniskt utmanande, "Deshpande säger om detta arbete." Att driva tekniken till denna upplösning är ännu inte vanligt inom fysiken, och tillvägagångssättet har inget prejudikat inom geovetenskap eller geomorfologi. "

Deshpande och Jerolmack arbetade också med mångårig samarbetspartner Paulo Arratia, som driver Penn Complex Fluids Lab, att ansluta sina data till fysikens ramverk, materialvetenskap, och teknik för att hitta analoga system och teorier som kan hjälpa till att förklara deras resultat. Vanderbilt's David Furbish, som använder statistisk fysik för att studera hur partikelrörelser påverkar storskaliga landskapsförändringar, gav förklaring till varför tidigare modeller var fysiskt otillräckliga och oförenliga med vad forskarna hade funnit.

De första experimenten var till synes enkla:Häll en hög med sand i lådan, låt det sitta, och titta med lasern. Men forskarna upptäckte att medan intuition och rådande teorier säger att de ostörda sandhögarna ska vara statiska, sandkornshögar är faktiskt en massa av konstant rörelse och beter sig som glas.

"På alla sätt vi kan mäta sanden, det är avkopplande som ett kylande glas, "säger Deshpande." Om du skulle ta en flaska och smälta den, frys sedan in den igen, att beteendet hos dessa molekyler i det kylglaset är, på alla sätt som vi kan mäta, precis som sanden. "

Inom fysiken, glas och jordpartiklar är klassiska exempel på ett "oordning" system, en vars beståndsdelar är arrangerade slumpmässigt istället för i kristallina, väl definierade strukturer. Medan störda material, ett stort fokusområde för Penn's Materials Research Science &Engineering Center, dela några vanliga beteenden när det gäller hur de deformeras när de är stressade, det är en viktig skillnad mellan glas och en hög med sand. Molekylerna som består av glas rör sig alltid slumpmässigt med en hastighet som beror på temperaturen, men sandkorn är för stora för att göra det. På grund av det, fysiker förväntar sig att en hög med sand skulle "fastna" och röra sig, men dessa senaste fynd presenterar ett nytt sätt att tänka på mark för forskare inom både fysik och geologi.

Ett annat överraskande resultat var att graden av krypande jord kunde kontrolleras utifrån de typer av störningar som användes. Medan den ostörda sandhögen fortsatte krypa så länge forskarna observerade, partikelrörelsens hastighet saktades genom tiden i en process som kallas åldrande. När sandpartiklar upphettades, denna åldrande vändes så att krypfrekvensen ökade tillbaka till sitt ursprungliga värde. Knacka på högen, i kontrast, påskyndat åldrande.

"Vi tenderar att tänka på saker som driver jorden mot avkastning, som att skaka från en jordbävning som utlöser ett jordskred, men andra störningar i naturen driver eventuellt jorden längre bort från avkastningen, eller göra det svårare för ett jordskred att hända, "säger Jerolmack." Nakuls förmåga att ställa in det ytterligare eller närmare avkastning var som en bomb som sprang för oss, och det här är ett helt nytt område. "

På kort sikt, forskarna arbetar med uppföljningsexperiment för att återskapa effekterna av lokaliserade störningar med hjälp av magnetiska sonder för att förstå hur störningar kan leda ett system längre bort från eller närmare avkastningen. De tittar också på data från fältobservationer, från naturligt jordkryp till katastrofala jordskredshändelser, för att se om de kan koppla sina laboratorieexperiment till vad observatörer ser på fältet, möjligen möjliggör nya sätt att upptäcka katastrofala landskapsfel innan de händer.

Forskarna hoppas att deras arbete kan vara en utgångspunkt för att förfina befintliga teorier som bygger på ett paradigm som, som en sluttning vars jordpartiklar har skiftat med tiden, håller inte längre i vikt. "När du observerar något riktigt kontraintuitivt och nytt, det kommer att ta lång tid innan det blir en modell att använda, "säger Jerolmack." Jag hoppas på geovetenskapssidan att människor med sofistikerade verktyg och tekniker och erfarenhet kommer att ta sig dit vi har slutat och säga, "Jag har en ny idé för att söka den här signaturen på fältet som du inte skulle ha tänkt på" - den naturliga överlämnandet av skalor och förmågor och intressen. "