Un nuevo estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza encuentra que montones de granos de arena, incluso sin ser molestado, están en constante movimiento. Usando datos de interferencia óptica de alta sensibilidad, Investigadores de la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Vanderbilt presentan resultados que desafían las teorías existentes tanto en geología como en física sobre cómo se comportan los suelos y otros tipos de materiales desordenados.

La mayoría de las personas solo se dan cuenta del movimiento del suelo en las laderas cuando el suelo pierde repentinamente su rigidez, un fenómeno conocido como rendimiento. "Diga que tiene suelo en la ladera de una colina. Entonces, si hay un terremoto o llueve, este material aparentemente sólido se convierte en líquido, ", dice el investigador principal Douglas Jerolmack de Penn." El marco predominante trata esta falla como si fuera una ruptura. La razón por la que es problemático es porque está modelando el material con un criterio mecánico sólido, pero lo estás modelando en el punto en el que se vuelve líquido, así que hay una contradicción inherente ".

Tal modelo implica que, por debajo del rendimiento, el suelo es sólido y, por lo tanto, no debe fluir, pero el suelo "fluye" lenta y persistentemente por debajo de su límite de fluencia en un proceso conocido como fluencia. La explicación geológica predominante para la fluencia del suelo es que es causada por alteraciones físicas o biológicas, como los ciclos de congelación-descongelación, árboles caídos, o animales de madriguera, que actúan para mover el suelo.

En este estudio, autor principal y Penn Ph.D. El candidato Nakul S. Deshpande estaba interesado en observar partículas de arena individuales en reposo que, basado en teorías existentes, debe estar completamente inmóvil. "Los investigadores han construido modelos asumiendo ciertos comportamientos de los granos del suelo en la fluencia, pero nadie había observado directamente lo que hacen los granos, "dice Deshpande.

Para hacer esto, Deshpande estableció una serie de experimentos aparentemente simples, creando montones de arena en pequeñas cajas de plexiglás encima de una mesa de trabajo con aislamiento de vibraciones. Luego utilizó una técnica de dispersión de luz láser llamada espectroscopia de onda difusa, que es sensible a movimientos de grano muy pequeños. "Los experimentos son técnicamente desafiantes, "Deshpande dice acerca de este trabajo." Llevar la técnica a esta resolución aún no es común en física, y el enfoque no tiene precedentes en geociencias o geomorfología ".

Deshpande y Jerolmack también trabajaron con su colaborador de mucho tiempo Paulo Arratia, que dirige el laboratorio de fluidos del complejo Penn, para conectar sus datos con marcos de la física, ciencia de los Materiales, e ingeniería para encontrar sistemas y teorías análogos que puedan ayudar a explicar sus resultados. David Furbish de Vanderbilt, que usa la física estadística para estudiar cómo los movimientos de partículas influyen en los cambios del paisaje a gran escala, proporcionó una explicación de por qué los modelos anteriores eran físicamente inadecuados e inconsistentes con lo que habían encontrado los investigadores.

Los primeros experimentos fueron aparentemente fáciles:vierta un montón de arena en la caja, déjalo reposar, y mira con el láser. Pero los investigadores descubrieron que, mientras que la intuición y las teorías predominantes dicen que los montones de arena no perturbados deben ser estáticos, Los montones de granos de arena son de hecho una masa en constante movimiento y se comportan como vidrio.

"De todas las formas que podamos medir la arena, es relajante como un vaso refrescante, "dice Deshpande." Si tomaras una botella y la derritieras, luego congélalo de nuevo, ese comportamiento de esas moléculas en ese vidrio refrigerante son, en todos los sentidos que somos capaces de medir, como la arena ".

En física, partículas de vidrio y suelo son ejemplos clásicos de un sistema "desordenado", uno cuyas partículas constituyentes están dispuestas al azar en lugar de cristalino, estructuras bien definidas. Mientras materiales desordenados, un área de enfoque principal del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de Penn, comparten algunos comportamientos comunes en términos de cómo se deforman cuando están estresados, Existe una diferencia importante entre el vidrio y un montón de arena. Las moléculas que componen el vidrio siempre se mueven aleatoriamente a una velocidad que depende de la temperatura, pero los granos de arena son demasiado grandes para hacer eso. Por eso, Los físicos esperan que un montón de arena esté "atascado" e inmóvil, pero estos últimos hallazgos presentan una nueva forma de pensar sobre el suelo para los investigadores tanto en física como en geología.

Otro resultado sorprendente fue que la tasa de suelo rastrero se podía controlar en función de los tipos de perturbaciones utilizadas. Mientras que la pila de arena no perturbada continuó arrastrándose durante el tiempo que observaron los investigadores, la velocidad del movimiento de las partículas se ralentizó a través del tiempo en un proceso llamado envejecimiento. Cuando las partículas de arena se calentaron, este envejecimiento se revirtió de manera que las tasas de fluencia volvieron a aumentar a su valor inicial. Tocando la pila a diferencia de, envejecimiento acelerado.

"Tendemos a pensar en cosas que impulsan el suelo hacia el rendimiento, como temblar por un terremoto que desencadena un deslizamiento de tierra, pero otras perturbaciones en la naturaleza potencialmente alejan el suelo del rendimiento, o dificultar que ocurra un deslizamiento de tierra, ", dice Jerolmack." La capacidad de Nakul para ajustarlo más o más cerca del rendimiento fue como una bomba que estalló para nosotros, y esta es un área completamente nueva ".

En el corto plazo, Los investigadores están trabajando en experimentos de seguimiento para recrear los impactos de las perturbaciones localizadas utilizando sondas magnéticas para comprender cómo las perturbaciones podrían llevar un sistema más lejos o más cerca del rendimiento. También están analizando datos de observaciones de campo, desde deslizamientos naturales del suelo hasta deslizamientos de tierra catastróficos, para ver si pueden conectar sus experimentos de laboratorio con lo que ven los observadores en el campo, potencialmente permitiendo nuevas formas de detectar fallas catastróficas del paisaje antes de que sucedan.

Los investigadores esperan que su trabajo pueda ser un punto de partida para perfeccionar las teorías existentes que se basan en un paradigma que, como una ladera cuyas partículas de suelo se han desplazado con el tiempo, ya no tiene peso. "Cuando observas algo realmente nuevo y contradictorio, ahora pasará mucho tiempo antes de que se convierta en un modelo para usar, "dice Jerolmack." Espero que en el lado de las geociencias las personas con herramientas y técnicas sofisticadas y experiencia retomen donde hemos terminado y digan:'Tengo una nueva idea para buscar esta firma en el campo en la que no habrías pensado':ese traspaso natural de escalas, habilidades e intereses ".