Häll av toppen på en burk med blandade nötter och, risken är, Paranötter kommer att vara på topp. Detta fenomen, av stora partiklar som tenderar att stiga till toppen av blandningar medan små partiklar tenderar att sjunka ner, är populärt känd som "paranötseffekten" och mer tekniskt som granulär segregering.

Titta ner på toppen av en flodbotten och det är lätt att dra en parallell:toppen av en flodbotten är vanligtvis kantad med större kullersten, medan finare sand och små gruspartiklar utgör de djupare skikten.

Fysiker som sysslar med partikelrörelse har funderat mycket på mekaniken genom vilken partiklar sorterar i dessa typer av scenarier, men den forskningen har inte översatts till jordvetenskap förrän nu. I en ny studie, geofysiker från University of Pennsylvania fann att granulerad segregation hjälper till att förklara tendensen till flodbäddar att kantas av, eller "pansar" med, ett lager av relativt större partiklar.

Publicerad i tidskriften Naturkommunikation , fynden förbättrar förståelsen för hur flodbäddar bildas, med konsekvenser för hur floder också kan erodera. Men forskningen ger också nya insikter om partikelsegregeringens grundläggande fysik, som gäller alla slags granulära material, från flodbäddar och jordar till industriella och farmaceutiska ämnen.

"Det har funnits detta granulära segregeringsfenomen som har studerats i årtionden, "sa Douglas J. Jerolmack, docent vid Institutionen för jord- och miljövetenskap vid Penn's School of Arts and Sciences, "och sedan finns det denna separata förklaring av geologer och ingenjörer om varför flodbäddar får ett grovt lager på ytan, och de två hade aldrig träffats tidigare. Vårt stora bidrag här är att verkligen ta den granulära fysikens förståelse för partikelsegregering - hur stora partiklar segregerar och rör sig upp till ytan - och introducerar det till flodproblemet. "

Jerolmack samarbetade i arbetet med postdoktorala forskare Behrooz Ferdowsi, nu vid Princeton University; Carlos P. Ortiz, nu på Deloitte Consulting; och Morgane Houssais, nu vid City University of New York. Flodbäddens rustning ses nästan universellt och anses vara ett sätt att floder förhindrar överdriven erosion.

"Vi kallar det här för rustning eftersom de större partiklarna är som en rustning som skyddar flodbotten under att bli eroderad, "Sa Jerolmack." Om det finns stora kullerstenar som kantar flodbädden, då behöver jag en stor översvämning för att flytta dem. "

Geologer har generellt trott att vätskemekanik styr detta mönster. Flodvattnet skulle tvätta bort de finare partiklarna, lämnar de större partiklarna bakom sig.

Men Penn-ledda teamet insåg att denna förklaring inte kunde tänka sig flodbädden som ett granulärt system, som också skulle vara föremål för paranötseffekten, inte bara vattnets skjuvkraft.

För att se om granulerad segregation tillämpades i ett vätskesystem, forskarna vände sig till ett laboratorium för en flod:en munkformad kanal fylld med stora och små sfäriska partiklar. Locket på kanalen skjuter vätskan ovanpå partiklarna, replikerar flodens flöde.

Som de hade visat i en tidigare studie, partiklar rör sig längs flodbädden av två mekanismer:de på toppen trycks av vätskeflödet, medan de djupare ner kryper långsamt på grund av interaktionen mellan partiklar.

I det nya arbetet, Penn -teamet ville förstå hur dessa partiklar rörde sig inte bara horisontellt utan också vertikalt i sängen.

Med sin specialbyggda kanal och vätska inbäddad i ett fluorescerande färgämne, Jerolmack och kollegor kunde skanna igenom hela kanalens djup och visualisera hela partiklarna, även de begravda under flera dussin andra partiklar.

"Det är nästan som att ta en röntgen av vårt granulära prov, men med en laser och fotografier, Sa Jerolmack.

Med hjälp av ett program, de kunde sedan spåra de horisontella och vertikala positionerna för alla dessa partiklar genom tiden. Och de såg paranötseffekten i aktion.

"I detta laboratorieexperiment av en mycket förenklad flod, "Jerolmack sa, "vi såg det, när vi har en vätska som driver korn på flodbädden, dessa korn pressar korn under dem som skjuter korn som finns under dem och så vidare, och det skapar denna rörliga rörelse som gör att stora partiklar kan sväva uppåt. Så vi bekräftade att detta allmänna beteende som ses i granulära system verkar också förekomma i floder. "

Ett annat stort fynd, bekräftas av datasimuleringar som svarar för friktionen som känns av varje partikel i flodbädden, var att denna segregation av partiklar efter storlek spelades ut i två steg. I den första, de större partiklarna nära ytan av flodbädden rörde sig uppåt, medan de packade i de djupare delarna av sängen tycktes förbli nästan orörliga. Men i ett andra skede, dessa krypande, djupare korn började sortera, de stora sugs ibland upp i de snabbare flödande partiklarna mot toppen av flodbädden och rusar uppåt.

"I princip hade ingen letat efter om extremt långsamt rörliga granulära material bidrog till segregation, "Jerolmack sa." Observationen att vi såg att segregation skedde, att grova partiklar rörde sig upp från detta krypande skikt, är helt ny för vetenskapen och har också alla möjliga konsekvenser. Det kan förklara hur vi ser segregation som händer på långsamt rörliga platser som jordar på en sluttning, där vi tenderar att hitta grova partiklar på ytan, trots att det inte rör sig om någon flytande kraft över dem. "

Forskare har haft svårt att förutse när floder eroderar, eller när sluttningar löses upp i jordskred, och dessa fynd kan hjälpa till att förklara varför dessa förutsägelser har visat sig vara så svårfångade.

"Vi har arbetat med dessa problem i 100 år, och vi kan fortfarande inte förutse med stor säkerhet vilken flytande kraft som kommer att få korn att börja erodera, "Sa Jerolmack." Och den punkten förändras med tiden. Flodtekniska projekt, broar och byggnader är alla beroende av uppskattningar av erosionströskeln. Jag tror att vi måste börja om från början med ett nytt ramverk som innehåller granulär fysik. "

Även om dessa experiment och simuleringar inte kan ge en exakt replikering för de komplexa förhållanden som ses i floder, som turbulens, Jerolmack noterar att fynden pekar på ett behov av att integrera jordvetenskap med grundläggande fysikforskning för att främja kunskap inom båda områdena.

"Vår oförmåga att förutsäga när erosion kommer att inträffa, vår oförmåga att förutsäga när en långsam, sipprande hög med smuts på en kulle blir plötsligt ett jordskred, beror på att vi är uppe mot vår gräns för den grundläggande förståelsen för hur oordnat material beter sig, "Jerolmack sa." Vi måste förstärka vår förståelse av grundläggande fysik för oordningsmaterial för att kunna ha chans att göra förutsägelser inom jordmaterialområdet. Och det här är ett problem där jag tror att vi har börjat med det.

"Penn är en idealisk plats att göra detta, "sa han." Här finns ett stort antal fysiker och ingenjörer med en bred och tvärvetenskaplig syn på materialvetenskap. Samarbeten som underlättas av Material Research Science and Engineering Center har gjort denna typ av arbete möjligt. "