La capacidad de absorber sal afectaría la velocidad de hundimiento de las partículas
Las profundidades oceánicas a menudo parecen una auténtica bola de nieve. A medida que se hunden las partículas orgánicas de materia vegetal y animal de la superficie, se combinan con el polvo y otros materiales para crear la "nieve marina", una hermosa representación del clima oceánico que desempeña un papel crucial en el ciclo del carbono y otros nutrientes a través de los océanos del mundo.
Ahora, investigadores de la Universidad Brown y de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill han descubierto nuevos y sorprendentes conocimientos sobre cómo se hunden las partículas en fluidos estratificados como los océanos, donde la densidad del fluido cambia con la profundidad.
En un nuevo estudio muestran que la velocidad a la que se hunden las partículas está determinada no sólo por las fuerzas de arrastre resistivas del fluido, sino por la velocidad a la que pueden absorber sal en relación con su volumen.
"Básicamente significa que las partículas más pequeñas pueden hundirse más rápido que las más grandes", dijo Robert Hunt, investigador postdoctoral de la Escuela de Ingeniería de Brown, quien dirigió el trabajo. "Eso es exactamente lo contrario de lo que se esperaría en un fluido con densidad uniforme".
Los investigadores esperan que los nuevos conocimientos puedan ayudar a comprender el ciclo de nutrientes del océano, así como la sedimentación de otras partículas porosas, incluidos los microplásticos.
"Obtuvimos una fórmula bastante sencilla que permite introducir estimaciones de diferentes parámetros (el tamaño de las partículas o la velocidad a la que cambia la densidad del líquido) y obtener razonables estimaciones de la velocidad de hundimiento", afirmó Daniel Harris, profesor asociado de ingeniería en Brown, quien supervisó el trabajo. "Es valioso contar con un poder predictivo fácilmente accesible".
Vídeo: Los investigadores demuestran que la velocidad a la que se hunden las partículas está determinada no solo por las fuerzas de arrastre resistivas del fluido, sino también por la velocidad a la que pueden absorber sal en relación con su volumen. Esto significa que, contrariamente a lo que se podría intuir, las partículas más pequeñas se hunden más rápido que las más grandes. Crédito: Laboratorio Harris/Universidad de Brown
El estudio surgió de trabajos previos de Hunt y Harris que investigaban partículas con flotabilidad neutra (aquellas que se hunden hasta cierta profundidad y luego se detienen). Hunt observó un extraño comportamiento que parecía estar relacionado con la porosidad de las partículas.
"Estábamos probando una teoría bajo el supuesto de que estas partículas mantendrían flotabilidad neutra", dijo Hunt. "Pero cuando las observamos, seguían hundiéndose, lo cual fue bastante frustrante".
Esto condujo a un nuevo modelo teórico sobre cómo la porosidad —específicamente, la capacidad de absorber sal— afectaría la velocidad de hundimiento. El modelo predice que cuanta más sal pueda absorber una partícula en relación con su tamaño, más rápido se hundirá. Esto significa, aunque parezca contradictorio, que las pequeñas partículas porosas se hunden más rápido que las grandes.
Para probar el modelo, los investigadores desarrollaron una forma de crear un cuerpo de agua estratificado linealmente en el que la densidad del líquido aumentara gradualmente con la profundidad. Para ello, alimentaron una gran tina con agua proveniente de dos tinas más pequeñas, una con agua dulce y la otra con agua salada. Las bombas controlables de cada tina les permitieron controlar cuidadosamente el perfil de densidad de la tina más grande.
Utilizando moldes impresos en 3D, el equipo creó partículas de diversas formas y tamaños a partir de agar, un material gelatinoso derivado de algas marinas. Las cámaras tomaron imágenes de las partículas individuales a medida que se hundían.
Vídeo: Contrariamente a la intuición, las partículas más pequeñas se hunden más rápido que las más grandes. En el caso de las partículas más delgadas o planas, su velocidad de sedimentación se determinó principalmente por su menor dimensión. Esto significa que las partículas alargadas se hunden más rápido que las esféricas del mismo volumen. Crédito: Laboratorio Harris/Universidad de Brown
Los experimentos confirmaron las predicciones del modelo. En el caso de las partículas esféricas, las más pequeñas tendían a hundirse más rápido. En el caso de las partículas más delgadas o planas, su velocidad de sedimentación dependía principalmente de su menor dimensión. Esto significa que las partículas alargadas en realidad se hunden más rápido que las esféricas del mismo volumen.
Los resultados son sorprendentes, dijeron los investigadores, y podrían proporcionar importante información sobre cómo las partículas se sedimentan en entornos ecológicos más complejos, ya sea para comprender el ciclo natural del carbono o para diseñar formas de acelerar la captura de carbono en grandes masas de agua.
"No intentamos replicar las condiciones oceánicas completas", dijo Harris. "El enfoque en nuestro laboratorio consiste en simplificar las cosas y reflexionar sobre la física fundamental que interviene en estos complejos fenómenos. Luego, podemos colaborar con quienes miden estos fenómenos en el campo para comprender la relevancia de estos fundamentos".
Harris dice que espera conectarse con oceanógrafos y científicos del clima para ver qué información podrían proporcionar estos nuevos hallazgos.
La investigación se ha publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences: Diffusion-limited settling of highly porous particles in density-stratified fluids
