Um novo estudo publicado em Nature Communications descobre que pilhas de grãos de areia, mesmo quando não perturbado, estão em constante movimento. Usando dados de interferência óptica altamente sensíveis, pesquisadores da University of Pennsylvania e da Vanderbilt University apresentam resultados que desafiam as teorias existentes em geologia e física sobre como os solos e outros tipos de materiais desordenados se comportam.

A maioria das pessoas só fica ciente do movimento do solo nas encostas quando o solo perde repentinamente sua rigidez, um fenômeno conhecido como rendimento. "Digamos que você tenha solo em uma encosta. Então, se houver um terremoto ou chover, este material que é aparentemente sólido se torna um líquido, "diz o investigador principal Douglas Jerolmack, da Penn." A estrutura prevalecente trata essa falha como se fosse uma quebra de rachadura. O motivo disso é problemático porque você está modelando o material por um critério mecânico sólido, mas você está modelando no ponto em que se torna um líquido, então há uma contradição inerente. "

Esse modelo implica que, abaixo do rendimento o solo é sólido e, portanto, não deve fluir, mas o solo lenta e persistentemente "flui" abaixo de seu limite de rendimento em um processo conhecido como fluência. A explicação geológica predominante para a fluência do solo é que ela é causada por distúrbios físicos ou biológicos, como ciclos de congelamento e descongelamento, árvores caídas, ou cavando animais, que agem para mover o solo.

Neste estudo, autor principal e Penn Ph.D. candidato Nakul S. Deshpande estava interessado em observar partículas individuais de areia em repouso que, com base em teorias existentes, deve estar totalmente imóvel. "Os pesquisadores construíram modelos presumindo certos comportamentos dos grãos do solo na fluência, mas ninguém tinha realmente observado diretamente o que os grãos fazem, "diz Deshpande.

Para fazer isso, Deshpande criou uma série de experimentos aparentemente simples, criando pilhas de areia em pequenas caixas de acrílico no topo de uma mesa de trabalho de isolamento de vibração. Ele então usou uma técnica de espalhamento de luz laser chamada espectroscopia de onda difusa, que é sensível a movimentos de grãos muito pequenos. "Os experimentos são tecnicamente desafiadores, "Deshpande fala sobre esse trabalho." Levar a técnica a essa resolução ainda não é comum na física, e a abordagem não tem precedentes em geociências ou geomorfologia. "

Deshpande e Jerolmack também trabalharam com o colaborador de longa data Paulo Arratia, que dirige o Penn Complex Fluids Lab, para conectar seus dados com estruturas da física, Ciência de materiais, e engenharia para encontrar sistemas e teorias análogos que possam ajudar a explicar seus resultados. David Furbish de Vanderbilt, que usa a física estatística para estudar como os movimentos das partículas influenciam as mudanças da paisagem em grande escala, forneceu a explicação de por que os modelos anteriores eram fisicamente inadequados e inconsistentes com o que os pesquisadores haviam encontrado.

Os primeiros experimentos foram aparentemente fáceis:despeje um monte de areia na caixa, deixe-o sentar, e observe com o laser. Mas os pesquisadores descobriram que, enquanto a intuição e as teorias prevalecentes dizem que as pilhas de areia intocadas devem ser estáticas, as pilhas de grãos de areia são, na verdade, uma massa em constante movimento e se comportam como vidro.

“De todas as formas que podemos medir a areia, é relaxante como um vidro refrescante, "diz Deshpande." Se você pegasse uma garrafa e a derretesse, então congele novamente, que o comportamento dessas moléculas nesse vidro de resfriamento são, de todas as maneiras que somos capazes de medir, assim como a areia. "

Na física, vidro e partículas de solo são exemplos clássicos de um sistema "desordenado", aquele cujas partículas constituintes são arranjadas aleatoriamente em vez de no cristalino, estruturas bem definidas. Embora materiais desordenados, uma área de foco principal do Centro de Engenharia e Ciência de Pesquisa de Materiais da Penn, compartilham alguns comportamentos comuns em termos de como eles se deformam quando estressados, há uma diferença importante entre vidro e um monte de areia. As moléculas que compõem o vidro estão sempre se movendo aleatoriamente a uma taxa que depende da temperatura, mas os grãos de areia são grandes demais para isso. Por causa disso, os físicos esperam que um monte de areia fique "preso" e imóvel, mas essas últimas descobertas apresentam uma nova maneira de pensar sobre o solo para pesquisadores em física e geologia.

Outro resultado surpreendente foi que a taxa de rastejamento do solo pode ser controlada com base nos tipos de distúrbios usados. Enquanto a pilha de areia intacta continuou a rastejar pelo tempo que os pesquisadores observaram, a taxa de movimento das partículas diminuiu ao longo do tempo em um processo chamado envelhecimento. Quando as partículas de areia foram aquecidas, esse envelhecimento foi revertido de modo que as taxas de fluência aumentaram de volta ao seu valor inicial. Batendo na pilha, em contraste, envelhecimento acelerado.

"Temos a tendência de pensar em coisas que impulsionam o solo para a produtividade, como tremer de um terremoto que provoca um deslizamento de terra, mas outros distúrbios na natureza podem levar o solo ainda mais longe da produção, ou dificultar a ocorrência de um deslizamento de terra, "diz Jerolmack." A capacidade de Nakul de ajustar mais ou mais perto para ceder era como uma bomba que explodiu para nós, e esta é uma área totalmente nova. "

No curto prazo, os pesquisadores estão trabalhando em experimentos de acompanhamento para recriar os impactos de distúrbios localizados usando sondas magnéticas para entender como os distúrbios podem levar um sistema mais longe ou mais perto da produção. Eles também estão analisando dados de observações de campo, de fluência natural do solo a eventos catastróficos de deslizamento de terra, para ver se eles podem conectar seus experimentos de laboratório ao que os observadores veem em campo, potencialmente permitindo novas maneiras de detectar falhas catastróficas de paisagens antes que elas aconteçam.

Os pesquisadores esperam que seu trabalho possa ser um ponto de partida para refinar as teorias existentes que se baseiam em um paradigma que, como uma encosta cujas partículas de solo mudaram ao longo do tempo, não tem mais peso. "Quando você observa algo realmente contra-intuitivo e novo, agora vai demorar muito até que se transforme em um modelo para usar, "diz Jerolmack." Espero que, no lado da geociência, as pessoas com ferramentas e técnicas sofisticadas e experiência entendam de onde terminamos e digam:'Eu tenho uma ideia nova para buscar essa assinatura no campo que você não teria pensado' - aquela transferência natural de escalas, habilidades e interesses. "