Un nuovo studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura trova che mucchi di granelli di sabbia, anche se indisturbato, sono in continuo movimento. Utilizzando dati di interferenza ottica altamente sensibili, ricercatori dell'Università della Pennsylvania e della Vanderbilt University presentano risultati che mettono in discussione le teorie esistenti sia in geologia che in fisica su come si comportano i terreni e altri tipi di materiali disordinati.

La maggior parte delle persone si rende conto del movimento del suolo sui pendii solo quando il suolo perde improvvisamente la sua rigidità, un fenomeno noto come rendimento. "Dì che hai del terreno su una collina. Allora, se c'è un terremoto o piove, questo materiale apparentemente solido diventa liquido, " dice il ricercatore principale Douglas Jerolmack di Penn. "La struttura prevalente tratta questo guasto come se fosse una rottura di crepa. Il motivo per cui è problematico è perché stai modellando il materiale con un solido criterio meccanico, ma lo stai modellando nel punto in cui diventa liquido, quindi c'è una contraddizione intrinseca."

Un tale modello implica che, al di sotto della resa il terreno è solido e quindi non deve scorrere, ma il suolo "scorre" lentamente e persistentemente al di sotto del suo punto di resa in un processo noto come scorrimento. La spiegazione geologica prevalente per il creep del suolo è che è causato da disturbi fisici o biologici, come i cicli di gelo-disgelo, alberi caduti, o animali scavatori, che agiscono per spostare il suolo.

In questo studio, autore principale e Penn Ph.D. il candidato Nakul S. Deshpande era interessato all'osservazione di singole particelle di sabbia a riposo che, sulla base di teorie esistenti, dovrebbe essere completamente immobile. "I ricercatori hanno costruito modelli presumendo determinati comportamenti dei grani del suolo in creep, ma nessuno aveva effettivamente osservato direttamente cosa fanno i grani, "dice Deshpande.

Per fare questo, Deshpande ha organizzato una serie di esperimenti apparentemente semplici, creare cumuli di sabbia in piccole scatole di plexiglass sopra un piano di lavoro antivibrante. Ha quindi utilizzato una tecnica di diffusione della luce laser chiamata spettroscopia a onde diffondenti, che è sensibile a movimenti di granella molto piccoli. "Gli esperimenti sono tecnicamente impegnativi, " Deshpande dice di questo lavoro. "Spingere la tecnica a questa risoluzione non è ancora comune in fisica, e l'approccio non ha precedenti nelle geoscienze o nella geomorfologia".

Deshpande e Jerolmack hanno anche lavorato con il collaboratore di lunga data Paulo Arratia, che gestisce il Penn Complex Fluids Lab, collegare i propri dati con strutture della fisica, scienza dei materiali, e ingegneria per trovare sistemi e teorie analoghi che potrebbero aiutare a spiegare i loro risultati. David Furbish di Vanderbilt, che usa la fisica statistica per studiare come i movimenti delle particelle influenzano i cambiamenti del paesaggio su larga scala, fornito una spiegazione del motivo per cui i modelli precedenti erano fisicamente inadeguati e incoerenti con ciò che i ricercatori avevano trovato.

I primi esperimenti furono apparentemente facili:versare un mucchio di sabbia nella scatola, lascia che si sieda, e guarda con il laser. Ma i ricercatori hanno scoperto che, mentre l'intuizione e le teorie prevalenti dicono che i mucchi di sabbia indisturbati dovrebbero essere statici, i mucchi di granelli di sabbia sono infatti una massa in continuo movimento e si comportano come il vetro.

"In ogni modo in cui possiamo misurare la sabbia, è rilassante come un bicchiere che si raffredda, " dice Deshpande. "Se dovessi prendere una bottiglia e scioglierla, poi congelalo di nuovo, quel comportamento di quelle molecole in quel vetro di raffreddamento sono, in ogni modo che siamo in grado di misurare, proprio come la sabbia."

In fisica, il vetro e le particelle di terreno sono esempi classici di un sistema "disordinato", uno le cui particelle costituenti sono disposte casualmente invece che in cristallino, strutture ben definite. Mentre i materiali disordinati, una delle principali aree di interesse del Penn's Materials Research Science &Engineering Center, condividono alcuni comportamenti comuni in termini di come si deformano quando sono stressati, c'è una differenza importante tra il vetro e un mucchio di sabbia. Le molecole che compongono il vetro si muovono sempre in modo casuale ad una velocità che dipende dalla temperatura, ma i granelli di sabbia sono troppo grandi per farlo. A causa di ciò, i fisici si aspettano che un mucchio di sabbia sia "inceppato" e immobile, ma queste ultime scoperte presentano un nuovo modo di pensare al suolo per i ricercatori sia in fisica che in geologia.

Un altro risultato sorprendente è stato che la velocità del suolo strisciante poteva essere controllata in base ai tipi di disturbi utilizzati. Mentre il mucchio di sabbia indisturbato ha continuato a strisciare per tutto il tempo in cui i ricercatori hanno osservato, la velocità del movimento delle particelle è rallentata nel tempo in un processo chiamato invecchiamento. Quando le particelle di sabbia venivano riscaldate, questo invecchiamento è stato invertito in modo tale che i tassi di scorrimento sono tornati al loro valore iniziale. Toccando il mucchio, in contrasto, invecchiamento accelerato.

"Tendiamo a pensare a cose che spingono il suolo verso la resa, come tremare da un terremoto che provoca una frana, ma altri disturbi della natura potenzialmente allontanano il suolo dalla resa, o rendere più difficile il verificarsi di una frana, "dice Jerolmack. "La capacità di Nakul di sintonizzarla più o meno per cedere è stata come una bomba che è esplosa per noi, e questa è un'area completamente nuova".

A breve termine, i ricercatori stanno lavorando su esperimenti di follow-up per ricreare gli impatti dei disturbi localizzati utilizzando sonde magnetiche per capire come i disturbi potrebbero portare un sistema più lontano o più vicino alla resa. Stanno anche esaminando i dati delle osservazioni sul campo, dallo scorrimento naturale del suolo agli eventi catastrofici di frana, per vedere se possono collegare i loro esperimenti di laboratorio a ciò che gli osservatori vedono sul campo, potenzialmente consentendo nuovi modi per rilevare i guasti catastrofici del paesaggio prima che si verifichino.

I ricercatori sperano che il loro lavoro possa essere un punto di partenza per perfezionare le teorie esistenti che si basano su un paradigma che, come una collina le cui particelle di terreno si sono spostate nel tempo, non regge più il peso. "Quando osservi qualcosa di veramente controintuitivo e nuovo, ci vorrà molto tempo prima che si trasformi in un modello da usare, " dice Jerolmack. "Spero dal lato della geoscienza che le persone con strumenti, tecniche ed esperienza sofisticati riprendano da dove siamo finiti e dicano, "Ho una nuova idea per cercare questa firma nel campo a cui non avresti mai pensato", quel passaggio naturale di scale, abilità e interessi".