<p>2017 年 12 月初，托馬斯大火蹂躪了南加州近 30 萬英畝的土地?；鹧娴母邷夭粌H殺死了蒙特西托上方山坡上的樹木和植被，還蒸發(fā)了它們的根部。</p> <p>&nbsp;</p> <p>一個月后，在 1 月 9 日黎明前的幾個小時，一場強(qiáng)風(fēng)暴襲擊了貧瘠的山坡，五分鐘內(nèi)降雨量超過半英寸。無根的土壤變成了強(qiáng)大的泥漿，攪動著一條小溪雕刻的峽谷，在匆忙中撿起巨石，然后在底部散開并涌入房屋。23 人在這場災(zāi)難中喪生。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這場悲劇能避免嗎？固體斜坡開始像液體一樣滲出的臨界點(diǎn)是什么？由賓夕法尼亞大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院和工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的Douglas Jerolmack領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊與賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院的Paulo Arratia和加州大學(xué)圣巴巴拉分校(UCSB) 的研究人員合作的新發(fā)現(xiàn)應(yīng)用了尖端物理學(xué)來回答這些問題。他們的研究發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，確定了 Montecito 泥石流樣品的破壞和流動行為與土壤的材料特性之間的關(guān)系。</p> <p>&nbsp;</p> <p><img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1667374351098/1667374351098.jpg" width="808" height="606" /></p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們當(dāng)時并沒有親眼目睹它的發(fā)生，&rdquo;杰羅馬克說，&ldquo;但我們的想法是，&lsquo;我們能否通過測量水和土壤的混合物在流動時的流動情況來了解固體山坡如何失去剛性的過程？在不同的濃度下？'&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>融合理論與應(yīng)用</strong></span></p> <p><br />2018 年冬天，Jerolmack 正在休假并前往加州大學(xué)圣地亞哥分校的Kavli 理論物理研究所&mdash;&mdash;但不是為了研究泥石流。&ldquo;這是一個可以解決物理學(xué)前沿問題的地方，&rdquo;他說。&ldquo;我是一名地球物理學(xué)家，但我不是來做地球科學(xué)的。我去那里是為了了解前沿物理學(xué)，尤其是關(guān)于稠密懸浮物的物理學(xué)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>然而，在杰羅馬克抵達(dá)三天后，泥石流發(fā)生了。大約一個月后，在安全的情況下，UCSB 的地質(zhì)學(xué)家、論文的合著者Thomas Dunne邀請他從 Montecito 收集樣本。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。一些樣本來自被毀壞的房屋遺跡，從山坡上流出的泥漿足夠強(qiáng)大，足以將巨大的巨石從河床上推到&mdash;&mdash;有時甚至穿過&mdash;&mdash;房屋。&ldquo;當(dāng)我們接近峽谷口時，它幾乎就像一排巨石，&rdquo;杰羅馬克說。&ldquo;房屋被埋到屋頂線；汽車被粉碎，無法辨認(rèn)。&rdquo;</p> <p><img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1667374497164/1667374497164.jpg" width="589" height="785" /></p> <p><span style="color: #666666;">Jeromack與Thomas Dunnelmack（同校）和加州大學(xué)圣巴泥巴的Doug Burbank一起在泥石流月后從現(xiàn)場采集樣本?？茖W(xué)家們用它們來了解它們的成分如何影響它失去堅固性所需的力。</span></p> <p>&nbsp;</p> <p>將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，研究人員的目標(biāo)是模擬泥漿的成分及其在開始流動時受到的壓力如何影響，從而克服使物質(zhì)變硬的力，科學(xué)家稱之為&ldquo;堵塞狀態(tài)&rdquo; 。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這不是工程師和科學(xué)家第一次嘗試從現(xiàn)場樣本中進(jìn)行這種建模。一些研究試圖通過將一鏟泥土和泥土放入大型流變儀中來模擬現(xiàn)場條件，流變儀是一種快速旋轉(zhuǎn)樣品以測量其粘度的裝置，或者它們的流動如何響應(yīng)定義的力。然而，典型的流變儀只有在物質(zhì)均勻且混合良好的情況下才能給出準(zhǔn)確的結(jié)果，不像 Montecito 樣品那樣含有不同數(shù)量的灰、粘土和巖石。</p> <p>&nbsp;</p> <p>更多高科技和靈敏的流變儀可以測量微量的粘度，可以克服這個缺點(diǎn)。但它們帶來了另一個問題：含有較大顆粒的樣本&mdash;&mdash;比如泥中的巖石&mdash;&mdash;可能會堵塞它們的精細(xì)工作。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們意識到，如果我們使用這種極其靈敏的設(shè)備，我們可以進(jìn)行我們認(rèn)為可靠和精確的測量，&rdquo;杰羅馬克說，&ldquo;即使它的代價是必須從我們的樣品中篩出最粗糙的材料。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>來自&ldquo;臟&rdquo;樣本的清晰信號</strong></span></p> <p><br />調(diào)查依賴于每個團(tuán)隊成員的專業(yè)知識。UCSB 博士后Hadis Matinpour準(zhǔn)備、記錄并繪制了第一批樣本，并分析了天然顆粒的成分。時任賓夕法尼亞大學(xué)研究助理的莎拉&middot;哈伯確定了材料的化學(xué)成分，包括粘土含量等重要量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們擁有所有這些原始數(shù)據(jù)，但很難理解它，&rdquo;杰羅馬克說。&ldquo;當(dāng)時在賓夕法尼亞大學(xué)攻讀碩士學(xué)位的羅伯特&middot;科斯蒂尼克（ Robert Kostynick）為他的論文接手了這個項(xiàng)目，并投入了大量的工作和思想來組織、解釋和嘗試折疊大量數(shù)據(jù)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這些貢獻(xiàn)依賴于對與致密懸浮液中起作用的力相關(guān)的尖端物理學(xué)的理解。這些包括摩擦，因?yàn)轭w粒相互摩擦；潤滑，如果一層薄薄的水幫助顆粒相互滑過；或凝聚力，如果像粘土這樣的粘性顆粒結(jié)合在一起。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Jerolmack 說：&ldquo;我們有膽量，或者可能是天真，試圖將物理學(xué)的一些最新發(fā)展應(yīng)用到一種非常混亂的材料上。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Penn 博士后Shravan Pradeep也加入了該團(tuán)隊，他在流變學(xué)或復(fù)雜材料流動的研究方面有著深厚的背景。他精確地指出了土壤的材料特性&mdash;&mdash;顆粒大小和粘土含量&mdash;&mdash;如何決定其破壞和流動特性。他的分析表明，了解顆粒的粘性（以&ldquo;屈服應(yīng)力&rdquo;衡量）以及顆粒在&ldquo;堵塞狀態(tài)&rdquo;下的緊密程度幾乎可以完全解釋在 Montecito 樣品中觀察到的結(jié)果。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Jerolmack 說，可以通過想象牙膏或發(fā)膠來設(shè)想屈服壓力。在管中，這些材料不會流動。只有當(dāng)對管施加力時&mdash;&mdash;用力擠壓&mdash;&mdash;它們才會開始流動。阻塞狀態(tài)可以被認(rèn)為是粒子如此擁擠在一起以至于它們無法相互移動的點(diǎn)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們意識到，對于泥石流，當(dāng)你不大力推動它們時，它們的行為完全受屈服應(yīng)力控制，&rdquo;Jerolmack 說。&ldquo;但是當(dāng)你非常努力地推動時&mdash;&mdash;重力將泥石流從山坡上沖下來&mdash;&mdash;粘性行為開始占主導(dǎo)地位，并且取決于粒子密度與堵塞狀態(tài)的距離。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>在實(shí)驗(yàn)室中，研究人員無法模擬失效，即受&ldquo;干擾&rdquo;約束的固體土壤轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢苿幽酀{的點(diǎn)。但他們可以近似相反，評估與不同濃度的水混合的泥質(zhì)材料以推斷堵塞狀態(tài)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;它的美妙之處在于，當(dāng)你從大自然中獲取樣本時，它們的成分、灰分含量、采集地點(diǎn)可能遍布各處，&rdquo;Arratia 說。&ldquo;但最終，所有數(shù)據(jù)都只是折疊成一條主曲線。這告訴你，現(xiàn)在，無論你是在實(shí)驗(yàn)室還是在 Montecito 的山上，你都有一個普遍的理解。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1667374616223/1667374616223.jpg" width="808" height="606" /></p> <p>&nbsp;</p> <p>隨著氣候變化，許多地區(qū)的野火頻率和強(qiáng)度都在增加，降水事件的強(qiáng)度也在增加。因此，災(zāi)難性泥石流的風(fēng)險不會很快消失。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員說，預(yù)測屈服應(yīng)力和堵塞狀態(tài)的新發(fā)現(xiàn)有助于為聯(lián)邦和地方政府模擬泥石流所做的建模提供信息。&ldquo;比如說，如果下這么大的雨，而我有這種材料，它會流多快，流多遠(yuǎn)，&rdquo;杰羅馬克說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>更一般地說，杰羅馬克和他的同事希望這項(xiàng)結(jié)合了理論和經(jīng)驗(yàn)科學(xué)的工作能夠帶來更多這樣的跨學(xué)科方法。&ldquo;我們可以利用物理學(xué)的最新發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上將它們與有意義的環(huán)境或地球物理問題直接聯(lián)系起來。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Douglas Jerolmack 是賓夕法尼亞大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院地球與環(huán)境科學(xué)系和工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院機(jī)械工程與應(yīng)用力學(xué)系的教授。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Paulo Arratia 是賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院機(jī)械工程與應(yīng)用力學(xué)以及化學(xué)與生物分子工程系的教授。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Jerolmack 和 Arratia 的研究合著者是賓夕法尼亞大學(xué)的 Robert Kostynick、Sarah Haber 和 Shravan Pradeep 以及加州大學(xué)圣巴巴拉分校的 Hadis Matinpour、Alban Sauret、Eckart Meiburg 和 Thomas Dunne。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該研究得到了陸軍研究辦公室（贈款 W911NF2010113 和 W911NF-18-1-0379）、國家科學(xué)基金會（贈款 1720530 和 1734355）、石油研究基金（贈款 61536-ND8）和約翰麥克法蘭基金會的支持。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span style="color: #666666;">注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</span></p>