۳۱ آگوست ۲۰۲۵، عکس از نویسنده: روپندرا براهامبات -تصویری که جریان دانه‌ها را نشان می‌دهد.
MR.Cole_Photographer/Getty Images
در نگاه اول، یک رانش زمین، بهمن یا حتی یک توده شن که توسط بولدوزر هل داده می‌شود، مانند یک جریان ساده از دانه‌ها است که به سمت پایین تپه حرکت می‌کنند. 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، مدت‌هاست که در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری مورد ظن بوده‌اند، اما هرگز به طور مستقیم در مواد واقعی مشاهده نشده‌اند. 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.
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 اصلی شناخته می‌شود، پیروی می‌کنند. با این حال، نظریه‌ها و مدل‌های کامپیوتری نشان می‌دهند که همه دانه‌ها از گله پیروی نمی‌کنند.
برخی از آنها مسیرهای انحرافی را طی می‌کنند، در زیر سطح به پهلو می‌چرخند و به طور نامحسوس میزان و سرعت حرکت یک رانش زمین 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 می‌داد.بنابراین، محققان با شواهد غیرمستقیم از موج‌های روی سطح یا از شبیه‌سازی‌ها گیر افتاده بودند و هرگز قادر به دیدن حرکت سه‌بعدی واقعی درون یک توده در حال جریان نبودند.
برای غلبه بر این مشکل، نویسندگان این مطالعه یک آزمایش بولدوزر تسمه نقاله را در یک فلوم به طول 0.55 متر و عرض 0.10 متر پر از دانه‌های شیشه‌ای سه میلی‌متری طراحی کردند. این تسمه دانه‌های شیشه‌ای را به سمت دیوار هل می‌داد و یک توده تشکیل می‌داد.
برای مشاهده داخل بدون ایجاد اختلال در دانه‌ها، 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 یک توده در حال حرکت از دانه‌ها کار می‌کند. با جریان دانه‌ها، آنها اشعه ایکس را در الگوهای متغیر نور و تاریکی مسدود می‌کنند.
با ردیابی نحوه حرکت این الگوها از فریمی به فریم دیگر، دانشمندان می‌توانند سرعت و جهت دانه‌ها را در داخل توده محاسبه کنند، بدون اینکه هرگز جریان متوقف یا مختل شود.
اولین تصاویر از این سیستم، موج‌های ضعیفی را روی سطح توده نشان داد. مطالعات قبلی نشان داده بود 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. آنچه 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 اشعه ایکس پویا، بدون نیاز به توقف حرکت برای توموگرافی، تأیید تجربی از سینماتیک ثانویه در محیط دانه‌ای ارائه می‌دهیم.”
این مطالعه نشان می‌دهد که جریان‌های ثانویه یک ویژگی اساسی مواد دانه‌ای هستند، چه در توده‌های برف، چه در توده‌های شن یا سیلوهای گندم. این یافته از ارزش بالایی برخوردار است.برای مثال، در مورد مخاطرات طبیعی، مدل‌های رانش زمین یا بهمن که جریان‌های ثانویه را نادیده می‌گیرند، ممکن است میزان مسافتی که آوار می‌تواند طی کند را کمتر از مقدار 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 پودرها یا دانه‌های متحرک 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 بولدوزینگ کنترل‌شده مطالعه کرد، نه برف واقعی یا رانش زمین سنگی. به علاوه، تصویر سه‌بعدی کامل جریان‌ها هنوز کامل نیست، زیرا سیستم DynamiX در حال حاضر حرکت را فقط در یک جهت اندازه‌گیری می‌کند.
برای غلبه بر این مشکلات، محققان قصد دارند روش‌های تصویربرداری را گسترش داده و مواد واقع‌بینانه‌تری را در آینده آزمایش کنند.
این مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.
