ثبت برای نخستین‌بار؛ پرتوهای ایکس راز چرخش‌های نامرئی شن و برف را آشکار کردند

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، در نگاه اول، یک رانش زمین، بهمن یا حتی یک توده شن که توسط بولدوزر هل داده می‌شود، مانند یک جریان ساده از دانه‌ها به سمت پایین تپه به نظر می‌رسد. با این حال، در زیر سطح، دنیایی پنهان از جریان‌های چرخشی نهفته است، جایی که دانه‌ها به جای دنبال کردن جریان آشکار، به پهلو حرکت می‌کنند یا در دایره‌ها حلقه می‌زنند.

 

این حرکات نامرئی که جریان‌های ثانویه نامیده می‌شوند، مدت‌ها در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری مورد ظن بودند، اما هرگز به طور مستقیم در مواد واقعی مشاهده نشده بودند. اکنون، دانشمندان برای اولین بار با استفاده از یک روش تصویربرداری قدرتمند جدید با اشعه ایکس، آنها را ثبت کرده‌اند.

 

کشف آنها می‌تواند درک ما از بهمن، رانش زمین و حتی نحوه برخورد ما با پودر‌های روزمره مانند آرد، گندم یا دارو را متحول کند.

 

ترفند مشاهده‌ی چرخش‌های پنهان

 

برای دهه‌ها، محققان معتقد بودند که وقتی دانه‌ها از یک شیب به پایین می‌لغزند، بیشتر آنها از تندترین مسیر به سمت پایین تپه، که به عنوان جریان اولیه شناخته می‌شود، پیروی می‌کنند. با این حال، نظریه‌ها و مدل‌های کامپیوتری نشان می‌دهند که همه دانه‌ها از این مسیر پیروی نمی‌کنند.

 

برخی از آنها مسیر انحرافی را طی می‌کنند، در زیر سطح زمین به پهلو می‌چرخند و به طور نامحسوسی میزان و سرعت حرکت زمین‌لغزه را شکل می‌دهند. تصور می‌شد که این جریان‌های پنهان وجود دارند، اما اثبات تجربی آنها تقریباً غیرممکن بود. دلیل این امر این است که متوقف کردن دانه‌ها برای اسکن‌های اشعه ایکس، حرکت را مسدود می‌کرد و جریان طبیعی را از بین می‌برد. افزودن مایعات برای شفاف کردن دانه‌ها، رفتار آنها را تغییر داد.

 

بنابراین، محققان به شواهد غیرمستقیم از موج‌های روی سطح یا از شبیه‌سازی‌ها بسنده کردند و هرگز نتوانستند حرکت سه‌بعدی واقعی درون یک توده‌ی در حال جریان را ببینند.

 

برای غلبه بر این مشکل، نویسندگان این مطالعه یک آزمایش بولدوزر تسمه نقاله را در یک کانال به طول ۰.۵۵ متر و عرض ۰.۱۰ متر پر از دانه‌های شیشه‌ای سه میلی‌متری طراحی کردند. تسمه، دانه‌های شیشه‌ای را به سمت دیوار هل می‌داد و یک توده تشکیل می‌داد.

 

برای مشاهده‌ی درون دانه‌ها بدون آسیب رساندن به آنها، آنها از تکنیکی که خود توسعه داده بودند به نام رئوگرافی اشعه ایکس، بخشی از یک سیستم جدید به نام DynamiX، استفاده کردند. رئوگرافی با گرفتن تصاویر سریع اشعه ایکس از توده‌ای از دانه‌های در حال حرکت کار می‌کند. همانطور که دانه‌ها جریان می‌یابند، اشعه ایکس را در الگو‌های متغیر نور و تاریکی مسدود می‌کنند.

 

با ردیابی چگونگی حرکت این الگو‌ها از فریمی به فریم دیگر، دانشمندان می‌توانند سرعت و جهت دانه‌های درون توده را محاسبه کنند، بدون اینکه هرگز جریان را متوقف یا مختل کنند.

 

اولین تصاویر از این چیدمان، موج‌های ضعیفی را روی سطح توده نشان داد. مطالعات قبلی اشاره کرده بودند که چرخش‌های پنهان درون جریان ممکن است باعث ایجاد چنین موج‌هایی شوند. با این حال، برای اولین بار، محققان توانستند این موج‌ها را به حرکات جانبی واقعی در زیر سطح مرتبط کنند.

 

برای تقویت بیشتر این فرضیه، آنها از داده‌های اشعه ایکس نقشه سطح را تهیه کردند و نحوه حرکت دانه‌ها را در تمام عمق توده، نه فقط در امتداد جریان اصلی، ردیابی کردند. چیزی که آنها یافتند حرکات جانبی و چرخشی بود که اولین شواهد تجربی مستقیم از جریان‌های ثانویه در مواد دانه‌ای را ارائه می‌دهد.

 

نویسندگان این مطالعه خاطرنشان می‌کنند: «ما با استفاده از رادیوگرافی پرتو ایکس دینامیک، بدون نیاز به توقف حرکت برای توموگرافی، تأیید تجربی سینماتیک ثانویه را در محیط دانه‌ای ارائه می‌دهیم.»

 

اهمیت مشاهده حرکت ثانویه

 

این مطالعه نشان می‌دهد که جریان‌های ثانویه یک ویژگی اساسی مواد دانه‌ای هستند، چه در توده‌های برف، چه در توده‌های شن و ماسه یا سیلو‌های گندم. این یافته از ارزش بالایی برخوردار است.

 

برای مثال، در مورد بلایای طبیعی، مدل‌های رانش زمین یا بهمن که جریان‌های ثانویه را نادیده می‌گیرند، ممکن است میزان مسافتی که آوار می‌تواند طی کند را کمتر از حد واقعی تخمین بزنند. افزودن این جزئیات می‌تواند به مهندسان کمک کند تا پیش‌بینی‌ها و اقدامات ایمنی بهتری را طراحی کنند.

 

این یافته‌ها همچنین در صنایع مختلف دیگر، از داروسازی گرفته تا کشاورزی، پیامد‌هایی دارد. فرآیند‌های بی‌شماری به جابجایی پودر‌ها یا دانه‌ها متکی هستند، بنابراین دانستن اینکه جریان‌های جانبی پنهان وجود دارند، می‌تواند نحوه ذخیره، مخلوط کردن یا انتقال مواد را بهبود بخشد.

 

با این حال، این مطالعه محدودیت‌هایی نیز داشت. این تیم دانه‌های شیشه‌ای را در یک محیط بولدوزر کنترل‌شده مورد مطالعه قرار داد، نه برف واقعی یا رانش زمین سنگی. به علاوه، تصویر سه‌بعدی کامل از جریان‌ها هنوز کامل نشده است، زیرا سیستم DynamiX در حال حاضر حرکت را تنها در یک جهت اندازه‌گیری می‌کند.

 

برای غلبه بر این مشکلات، محققان قصد دارند روش‌های تصویربرداری را گسترش داده و مواد واقع‌گرایانه‌تری را در آینده آزمایش کنند.

 

این مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.