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<p>2017 年 12 月初，托馬斯大火蹂躪了南加州近 30 萬(wàn)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(shù)木和植被，還蒸發(fā)了它們的根部。</p> <p>&nbsp;</p> <p>一個(gè)月后，在 1 月 9 日黎明前的幾個(gè)小時(shí)，一場(chǎng)強(qiáng)風(fēng)暴襲擊了貧瘠的山坡，五分鐘內(nèi)降雨量超過(guò)半英寸。無(wú)根的土壤變成了強(qiáng)大的泥漿，攪動(dòng)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(kāi)并涌入房屋。23 人在這場(chǎng)災(zāi)難中喪生。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這場(chǎng)悲劇能避免嗎？固體斜坡開(kāi)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(duì)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(lái)回答這些問(wèn)題。他們的研究發(fā)表在《美國(guó)國(guó)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(dòng)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(shí)并沒(méi)有親眼目睹它的發(fā)生，&rdquo;杰羅馬克說(shuō)，&ldquo;但我們的想法是，&lsquo;我們能否通過(guò)測(cè)量水和土壤的混合物在流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)情況來(lái)了解固體山坡如何失去剛性的過(guò)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(gè)可以解決物理學(xué)前沿問(wèn)題的地方，&rdquo;他說(shuō)。&ldquo;我是一名地球物理學(xué)家，但我不是來(lái)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(gè)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(qǐng)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(lái)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(shí)甚至穿過(guò)&mdash;&mdash;房屋。&ldquo;當(dāng)我們接近峽谷口時(shí)，它幾乎就像一排巨石，&rdquo;杰羅馬克說(shuō)。&ldquo;房屋被埋到屋頂線；汽車(chē)被粉碎，無(wú)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(chǎng)采集樣本?？茖W(xué)家們用它們來(lái)了解它們的成分如何影響它失去堅(jiān)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(kāi)始流動(dòng)時(shí)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(chǎng)樣本中進(jìn)行這種建模。一些研究試圖通過(guò)將一鏟泥土和泥土放入大型流變儀中來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)條件，流變儀是一種快速旋轉(zhuǎn)樣品以測(cè)量其粘度的裝置，或者它們的流動(dòng)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(cè)量微量的粘度，可以克服這個(gè)缺點(diǎn)。但它們帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題：含有較大顆粒的樣本&mdash;&mdash;比如泥中的巖石&mdash;&mdash;可能會(huì)堵塞它們的精細(xì)工作。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們意識(shí)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(cè)量，&rdquo;杰羅馬克說(shuō)，&ldquo;即使它的代價(jià)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(lái)自&ldquo;臟&rdquo;樣本的清晰信號(hào)</strong></span></p> <p><br />調(diào)查依賴于每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員的專業(yè)知識(shí)。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(shí)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(shuō)。&ldquo;當(dāng)時(shí)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(gè)項(xiàng)目，并投入了大量的工作和思想來(lái)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(duì)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(rùn)滑，如果一層薄薄的水幫助顆粒相互滑過(guò)；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(shuō)：&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?；靵y的材料上。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Penn 博士后Shravan Pradeep也加入了該團(tuán)隊(duì)，他在流變學(xué)或復(fù)雜材料流動(dòng)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(dòng)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(shuō)，可以通過(guò)想象牙膏或發(fā)膠來(lái)設(shè)想屈服壓力。在管中，這些材料不會(huì)流動(dòng)。只有當(dāng)對(duì)管施加力時(shí)&mdash;&mdash;用力擠壓&mdash;&mdash;它們才會(huì)開(kāi)始流動(dòng)。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(wú)法相互移動(dòng)的點(diǎn)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們意識(shí)到，對(duì)于泥石流，當(dāng)你不大力推動(dòng)它們時(shí)，它們的行為完全受屈服應(yīng)力控制，&rdquo;Jerolmack 說(shuō)。&ldquo;但是當(dāng)你非常努力地推動(dòng)時(shí)&mdash;&mdash;重力將泥石流從山坡上沖下來(lái)&mdash;&mdash;粘性行為開(kāi)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(wú)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?dòng)泥漿的點(diǎn)。但他們可以近似相反，評(píng)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(shí)，它們的成分、灰分含量、采集地點(diǎn)可能遍布各處，&rdquo;Arratia 說(shuō)。&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(wú)論你是在實(shí)驗(yàn)室還是在 Montecito 的山上，你都有一個(gè)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(xiǎn)不會(huì)很快消失。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員說(shuō)，預(yù)測(cè)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(shuō)，如果下這么大的雨，而我有這種材料，它會(huì)流多快，流多遠(yuǎn)，&rdquo;杰羅馬克說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>更一般地說(shuō)，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(lái)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(wèn)題直接聯(lián)系起來(lái)。&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(zèng)款 W911NF2010113 和 W911NF-18-1-0379）、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（贈(zèng)款 1720530 和 1734355）、石油研究基金（贈(zèng)款 61536-ND8）和約翰麥克法蘭基金會(huì)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>