Tajemniczy taniec opadających na dno morza cząstek

Plankton, mikroplastiki czy okruchy mineralne, które często mają płaski kształt, opadając w morzach czy oceanach napotykają na zmiany gęstości warstw wody. A wtedy wykonują nieoczywisty taniec, za którego sprawą opadają wolniej niż się dotąd przyjmowało - pokazuje badaczka z IGF PAN.

Opadające na dno mórz i oceanów cząstki stałe - takie jak plankton, obumarłe szczątki organizmów, materia nieorganiczna czy tzw. śnieg morski - niosą w sobie węgiel. Poznanie fizyki tego, jak poruszają się takie cząstki, może się więc przydać biologom, ekologom morza, oceanologom, klimatologom - choćby do dokładniejszego modelowania obiegu tego pierwiastka w przyrodzie.

I tak na przykład modele opisujące opadanie cząstek w wodach naturalnych zakładają w uproszczeniu, że cząstki takie mają kształt idealnych kulek. A chyba nietrudno wyobrazić sobie, że większość morskich "paproszków" wcale nie ma kształtu kulek. Dr Magdalena Mrokowska z Instytutu Geofizyki PAN w swoich badaniach (publikacja w Scientific Reports) sprawdziła, jak wygląda ruch małych cząstek, jeśli mają one kształt płaskich dysków (zbliżony kształt mają choćby okrzemki czy płatki mikroplastiku). Okazało się, że takie cząstki, kiedy natkną się w wodzie na granicę gęstości, zaczynają wykonywać taniec, który spowalnia ich opadanie.

Filmiki prezentujące opadanie cząstek dostępne są na stronie publikacji.

Jest również kolejne ograniczenie istniejących modeli. "Dotąd dość dobrze opisane było już, jak opadają cząstki w płynie o jednorodnej gęstości. Natomiast w morzu czy oceanie gęstość zmienia się wraz z głębokością - mamy tam tzw. gradienty gęstości" - mówi badaczka. Poza tym, jak tłumaczy, w morzach i oceanach nieraz mamy do czynienia z tzw. skokami gęstości wody. Ma to miejsce np. tam, gdzie stykają się ze sobą masy wody o różnym zasoleniu lub o różnej temperaturze. "Tam dzieją się moim zdaniem ciekawe zjawiska. Dochodzi do akumulacji cząstek, które opadają - poczynając od pojedynczych cząstek do ich agregatów. Kiedy więc takie struktury dotrą do skoku gęstości, zatrzymują się na jakiś czas. Na takie spowolnienie ruchu ma wpływ nie tylko zwiększenie gęstości otaczającego płynu, ale także gradient gęstości, który powoduje dodatkowe opory działające na opadającą cząstkę. A to ma potem wpływ na wielkoskalowe procesy związane z transportem węgla i zanieczyszczeniem mikroplastikami" - dodaje.

Dr Mrokowska wykonywała eksperymenty w małej skali - w kolumnach płynu, w których stykały się ze sobą warstwy wody o różnym zasoleniu. Okazuje się, że kiedy cząstka (dysk o średnicy nie większej niż 3 mm i grubości liczonej w mikrometrach) natyka się na taką granicę gęstości, traci swoją stabilność. Spadający dotąd poziomo dysk odchyla się od położenia, a taniec ten spowalnia jego ruch. Tak więc nawet fizyka opisująca ruch płaskich struktur jest bardziej skomplikowana - i mało oczywista - niż opadanie zwykłej kulki. A co dopiero mówić o ruchu struktur nieregularnych takich jak np. śnieg morski.

Jak tłumaczy badaczka, śnieg morski to zlepki różnych cząstek, w tym materii organicznej, które wchodzą ze sobą w interakcje i wspólnie tworzą większe struktury. Zbadanie dynamiki opadania takich agregatów to jeszcze większe wyzwanie. Są to bowiem struktury porowate i jest tu ciągle wiele niewiadomych związanych z fizyką ich opadania. Badania dr Mrokowskiej pokazują więc, jak wiele jest jeszcze niewiadomych w obszarze wiedzy związanym z opadaniem różnego rodzaju cząstek.