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Les profondeurs océaniques ressemblent souvent à une véritable boule à neige. À mesure que les particules organiques végétales et animales de la surface s’enfoncent, elles se combinent à la poussière et à d’autres matériaux pour former de la « neige marine », une magnifique illustration du climat océanique qui joue un rôle crucial dans le cycle du carbone et d’autres nutriments dans les océans du monde.

Des chercheurs de l’Université Brown et de l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill ont découvert des informations surprenantes sur la façon dont les particules s’enfoncent dans des fluides stratifiés comme les océans, où la densité du fluide varie avec la profondeur. Dans une étude publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences , ils montrent que la vitesse à laquelle les particules s’enfoncent est déterminée non seulement par les forces de résistance du fluide, mais aussi par la vitesse à laquelle elles peuvent absorber le sel par rapport à leur volume.

« Cela signifie essentiellement que les particules plus petites peuvent couler plus vite que les plus grosses », a expliqué Robert Hunt, chercheur postdoctoral à la Brown’s School of Engineering et responsable des travaux. « C’est exactement le contraire de ce que l’on pourrait attendre d’un fluide de densité uniforme. »

Les chercheurs espèrent que ces nouvelles connaissances pourraient aider à comprendre le cycle des nutriments dans l’océan, ainsi que la sédimentation d’autres particules poreuses, notamment les microplastiques.

« Nous avons finalement obtenu une formule assez simple permettant d’estimer différents paramètres (taille des particules ou vitesse de variation de la densité du liquide) et d’obtenir des estimations raisonnables de la vitesse de descente », a déclaré Daniel Harris, professeur associé d’ingénierie à Brown, qui a supervisé les travaux. « Disposer d’une puissance prédictive facilement accessible présente un intérêt. »

L’étude s’appuie sur des travaux antérieurs de Hunt et Harris portant sur des particules à flottabilité neutre, c’est-à-dire celles qui descendent jusqu’à une certaine profondeur puis s’arrêtent. Hunt a observé un comportement étrange qui semblait lié à la porosité des particules.

« Nous testions une théorie en supposant que ces particules resteraient en flottabilité neutre », a expliqué Hunt. « Mais lorsque nous les avons observées, elles continuaient de couler, ce qui était plutôt frustrant. »

Cela a conduit à un nouveau modèle théorique sur l’influence de la porosité – et plus précisément de la capacité d’absorption du sel – sur la vitesse à laquelle les particules coulent. Ce modèle prédit que plus une particule peut absorber de sel par rapport à sa taille, plus elle coule vite. Cela signifie, de manière quelque peu contre-intuitive, que les petites particules poreuses coulent plus vite que les plus grosses.

Pour tester le modèle, les chercheurs ont développé une méthode permettant de créer une masse d’eau stratifiée linéairement, dans laquelle la densité du liquide augmente progressivement avec la profondeur. Pour ce faire, ils ont alimenté un grand bac avec de l’eau provenant de deux bacs plus petits, l’un d’eau douce, l’autre d’eau salée. Des pompes contrôlables sur chaque bac leur ont permis de contrôler précisément le profil de densité du plus grand bac.

À l’aide de moules imprimés en 3D, l’équipe a ensuite créé des particules de formes et de tailles variées à base d’agar, une matière gélatineuse dérivée d’algues. Des caméras ont filmé chaque particule individuellement pendant qu’elle coulait.

Les expériences ont confirmé les prédictions du modèle. Pour les particules sphériques, les plus petites avaient tendance à couler plus vite. Pour les particules plus fines ou plus plates, leur vitesse de sédimentation était principalement déterminée par leur plus petite dimension. Cela signifie que les particules allongées coulent en réalité plus vite que les particules sphériques de même volume.

Les résultats sont surprenants, ont déclaré les chercheurs, et pourraient fournir des informations importantes sur la façon dont les particules se déposent dans des environnements écologiques plus complexes, soit pour comprendre le cycle naturel du carbone, soit pour concevoir des moyens d’accélérer la capture du carbone dans de grandes étendues d’eau.

« Nous ne cherchons pas à reproduire les conditions océaniques réelles », a déclaré Harris. « Notre approche en laboratoire consiste à réduire les choses à leur plus simple expression et à réfléchir aux principes physiques fondamentaux impliqués dans ces phénomènes complexes. Nous pouvons ensuite collaborer avec les personnes qui les mesurent sur le terrain afin de comprendre où ces principes fondamentaux sont pertinents. »

Harris dit qu’il espère entrer en contact avec des océanographes et des climatologues pour voir quelles informations ces nouvelles découvertes pourraient apporter.

Les autres co-auteurs de la recherche étaient Roberto Camassa et Richard McLaughlin de l’UNC Chapel Hill.

Adaptation Terra Projects

Source https://phys.org/

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