Retirez le dessus d'une boîte de noix mélangées et, il y a des chances, Les noix du Brésil seront au top. Ce phénomène, de grosses particules ayant tendance à monter au sommet des mélanges tandis que les petites particules ont tendance à s'enfoncer, est populairement connu sous le nom d'« effet noix du Brésil » et plus techniquement sous le nom de ségrégation granulaire.

Regardez le haut d'un lit de rivière et il est facile de faire un parallèle :le haut d'un lit de rivière est généralement bordé de gros galets, tandis que du sable plus fin et de petites particules de gravier constituent les couches plus profondes.

Les physiciens concernés par le mouvement des particules ont beaucoup réfléchi à la mécanique par laquelle les particules trient dans ces types de scénarios, mais cette recherche n'a pas été traduite en sciences de la terre jusqu'à présent. Dans une nouvelle étude, des géophysiciens de l'Université de Pennsylvanie ont découvert que la ségrégation granulaire aide à expliquer la tendance des lits de rivière à être bordés par, ou "blindé" avec, une couche de particules relativement plus grosses.

Publié dans la revue Communication Nature , les résultats améliorent la compréhension de la formation des lits des rivières, avec des implications sur la façon dont les rivières peuvent également s'éroder. Mais la recherche apporte également de nouvelles connaissances sur la physique fondamentale de la ségrégation des particules, qui s'appliquent à toutes sortes de matériaux granulaires, des lits de rivières et des sols aux substances industrielles et pharmaceutiques.

« Il y a eu ce phénomène de ségrégation granulaire qui est étudié depuis des décennies, " a déclaré Douglas J. Jerolmack, professeur agrégé au Département des sciences de la Terre et de l'environnement de la Penn's School of Arts and Sciences, "et puis il y a cette explication séparée par les géologues et les ingénieurs sur la raison pour laquelle les lits des rivières ont une couche grossière à la surface, et les deux ne s'étaient jamais rencontrés auparavant. Notre contribution majeure ici consiste vraiment à comprendre la physique granulaire de la ségrégation des particules - comment les grosses particules se séparent et remontent à la surface - et à l'introduire dans le problème de la rivière. »

Jerolmack a collaboré aux travaux avec les chercheurs postdoctoraux Behrooz Ferdowsi, maintenant à l'Université de Princeton; Carlos P. Ortiz, maintenant chez Deloitte Consulting; et Morgane Houssais, maintenant à la City University de New York. Le blindage du lit des rivières est considéré presque universellement et est considéré comme un moyen pour les rivières d'empêcher une érosion excessive.

"Nous appelons cela un blindage parce que les particules les plus grosses sont comme une armure qui protège le lit de la rivière en dessous de l'érosion, " dit Jerolmack. " S'il y a de gros pavés qui bordent le lit de la rivière, alors j'aurai besoin d'une grosse inondation pour les déplacer."

Les géologues ont généralement pensé que la mécanique des fluides contrôle ce modèle. L'eau de la rivière emporterait les particules les plus fines, laissant les plus grosses particules derrière.

Mais l'équipe dirigée par Penn a reconnu que cette explication ne concevait pas le lit de la rivière comme un système granulaire, qui serait également soumis à l'effet noix du Brésil, pas seulement la force de cisaillement de l'eau.

Pour voir si la ségrégation granulaire s'appliquait dans un système fluide, les chercheurs se sont tournés vers un laboratoire remplaçant une rivière :un canal en forme de beignet rempli de grosses et petites particules sphériques. Le couvercle du canal pousse le fluide au sommet des particules, reproduire le débit d'une rivière.

Comme ils l'avaient montré dans une étude précédente, les particules se déplacent le long du lit de la rivière par deux mécanismes :celles du sommet sont poussées par le flux de liquide, tandis que ceux plus bas rampent lentement en raison de l'interaction entre les particules.

Dans le nouveau travail, l'équipe de Penn voulait comprendre comment ces particules se déplaçaient non seulement horizontalement mais aussi verticalement dans le lit.

En utilisant leur canal sur mesure et leur fluide incorporé dans un colorant fluorescent, Jerolmack et ses collègues ont pu balayer toute la profondeur du canal et visualiser tout le plan des particules, même ceux enfouis sous plusieurs dizaines d'autres particules.

"C'est presque comme prendre une radiographie de notre échantillon granulaire mais avec un laser et des photographies, " a déclaré Jerolmack.

A l'aide d'un logiciel, ils ont ensuite pu suivre les positions horizontale et verticale de toutes ces particules à travers le temps. Et ils ont vu l'effet noix du Brésil en action.

"Dans cette expérience en laboratoire d'une rivière très simplifiée, " Jerolmack a dit, "on a vu ça, quand on a un liquide poussant des grains sur le lit de la rivière, ces grains poussent des grains en dessous d'eux qui poussent des grains qui sont en dessous d'eux et ainsi de suite, et cela crée ce mouvement de bousculade qui permet aux grosses particules de flotter en quelque sorte. Nous avons donc confirmé que ce comportement général observé dans les systèmes granulaires semble également se produire dans les rivières. »

Autre découverte majeure, confirmé par des simulations informatiques qui rendent compte du frottement ressenti par chaque particule dans le lit de la rivière, était que cette ségrégation des particules par taille s'est déroulée en deux étapes. En premier, les plus grosses particules près de la surface du lit de la rivière se sont déplacées vers le haut, tandis que ceux entassés dans les parties les plus profondes du lit semblaient rester presque immobiles. Mais dans un deuxième temps, ces rampants, les grains plus profonds ont commencé à trier, les plus grosses sont parfois aspirées par les particules qui s'écoulent plus rapidement vers le haut du lit de la rivière et se bousculent vers le haut.

"Fondamentalement, personne n'était allé voir si des matériaux granulaires extrêmement lents contribuaient à la ségrégation, " a déclaré Jerolmack. " L'observation que nous avons vu la ségrégation se produire, que des particules grossières montaient de cette couche rampante, est tout nouveau pour la science et a également toutes sortes d'implications. Cela pourrait expliquer comment nous voyons la ségrégation se produire dans des endroits lents comme les sols à flanc de colline, où l'on a tendance à trouver des particules grossières à la surface, bien qu'il n'y ait aucune force fluide qui se déplace sur eux."

Les chercheurs ont eu du mal à prédire quand les rivières s'érodent, ou lorsque les coteaux se dissolvent en glissements de terrain, et ces résultats peuvent aider à expliquer pourquoi ces prédictions se sont avérées si insaisissables.

"Nous travaillons sur ces problèmes depuis 100 ans, et nous ne pouvons toujours pas prédire avec certitude quelle force de fluide va provoquer l'érosion des grains, " dit Jerolmack. " Et ce point change avec le temps. Projets d'ingénierie fluviale, les ponts et les bâtiments reposent tous sur des estimations du seuil d'érosion. Je pense que nous devons repartir de zéro avec un nouveau cadre qui intègre la physique granulaire."

Bien que ces expériences et simulations ne puissent pas fournir une réplication exacte des conditions complexes observées dans les rivières, comme les turbulences, Jerolmack note que les résultats soulignent la nécessité d'intégrer les sciences de la Terre à la recherche en physique fondamentale pour faire progresser les connaissances dans les deux domaines.

"Notre incapacité à prédire quand l'érosion se produira, notre incapacité à prédire quand un ralentissement, un tas de terre suintant sur une colline deviendra soudain un glissement de terrain, est parce que nous sommes confrontés à notre limite de compréhension fondamentale du comportement des matériaux désordonnés, " a déclaré Jerolmack. "Nous devons faire progresser notre compréhension de la physique fondamentale des matériaux désordonnés afin d'avoir une chance de faire des prédictions dans le domaine des matériaux terrestres. Et c'est un problème pour lequel je pense que nous avons commencé à le faire.

« Penn est un endroit idéal pour le faire, " dit-il. " Ici, il y a un grand nombre de physiciens et d'ingénieurs avec une vision large et interdisciplinaire de la science des matériaux. Les collaborations facilitées par le Materials Research Science and Engineering Center ont rendu ce genre de travail possible. »