灾难背后的物理学：泥石流是如何演变形成并移动的？

宾夕法尼亚州的Douglas Jerolmack和Paulo Arratia领导的研究人员利用来自2018年灾难性的蒙特西托泥石流的样本，更好地了解在这些灾难中发挥作用的复杂力量。在2018年蒙特西托泥石流期间，强大的碎石流将巨石从溪流雕刻的峡谷中推向房屋，造成破坏和23人死亡。宾夕法尼亚大学领导的团队的新发现，利用物理学的最新发展来了解支配泥石流的力量。

2017年12月初开始的托马斯大火，在南加州烧毁了近30万英亩的土地。火焰的强烈热量不仅杀死了蒙特西托上方山坡上的植被和树木，而且还烧毁了它们的根部。

一个月后的1月9日凌晨，一场强大的风暴在5分钟内向荒芜的山坡倾泻了半英寸以上的雨水。无根的土壤变成了强大的泥浆，顺着一条小溪形成的峡谷冲了下去，在奔跑中聚集了巨石，然后在底部散开，撞向房屋。这场灾难夺去了23人的生命。

有可能防止这场悲剧吗？一个坚固的斜坡开始像液体一样渗出的点是什么？宾大文理学院和工程与应用科学学院的Douglas Jerolmack领导的团队与宾大工程学院的Paulo Arratia和加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）的研究人员合作进行的新研究，利用尖端物理学回答了这些问题。他们进行了实验室实验，以评估蒙特西托泥石流样本的破坏和流动行为是如何与土壤的材料特性相联系的。他们的研究结果最近发表在《美国国家科学院院刊》上。

2018年的泥石流形成于火灾后的又一场大雨，威力巨大，破坏性强。在这里，"泥线"标志着它们流向加州蒙特西托的房屋的高度。

"我们没有在那里看到它的发生，"Jerolmack说，"但我们的想法是，'我们能否通过测量水和土壤的混合物在不同浓度下的流动情况，来了解固体山坡如何失去其刚性的过程？"

在2018年冬天，Jerolmack正在休假，并前往UCSB的Kavli理论物理研究所，但不是为了研究泥石流。"这是一个来锤炼物理学前沿课题的地方，"他说。"我是一个地球物理学家，但我在那里不是为了做地球科学。我在那里是为了学习前沿的物理学，特别是关于致密悬浮物的物理学。"

然而，在Jerolmack到达研究所三天后就发生了这一自然灾害。大约一个月后，在确保安全的情况下，加州大学洛杉矶分校的地质学家和论文的共同作者托马斯-邓恩邀请他去蒙特西托收集样本。

这是一个严峻的任务。一些样本来自于被破坏的房屋遗迹，山坡上的泥浆流足以将巨大的石块顺着溪床一直推到居民区，有时直接穿过房屋。"当我们到达峡谷口附近时，它几乎就像一个巨石的方阵，房屋被埋到屋顶线；汽车被碾碎，无法辨认。"

将样本带回实验室，研究人员的目标是模拟泥浆的成分和它所承受的压力如何影响它开始流动，克服赋予物质刚性的力量，即科学家所说的"堵塞状态"。

这并不是工程师和科学家第一次尝试从现场样本中进行这种建模。一些研究试图通过将一铲子泥土和泥浆放入大型流变仪中来模拟现场条件，流变仪是一种快速旋转样品以测量其粘度的设备，或者它们的流动如何响应一个定义的力。然而，典型的流变仪只有在物质均匀和混合良好的情况下才能给出准确的结果，而不像蒙特西托的样品，其中含有不同数量的灰、粘土和岩石。

更加高科技和敏感的流变仪，可以测量微小数量的粘度可以克服这个缺点。但它们也有另一个缺点：含有较大颗粒的样品--例如，泥浆中的岩石--可能会堵塞它们的精细工作。

Jerolmack说："我们意识到，如果我们使用这种极其敏感的设备，我们可以进行我们知道是可靠和精确的测量，即使它的代价是必须从我们的样品中筛出最粗糙的材料。"

从"肮脏"的样品中获得清晰的信号

这项调查依赖于每个团队成员的专业知识。加州大学旧金山分校博士后哈迪斯-马廷普尔（Hadis Matinpour）准备、记录和绘制出第一批样品，并分析了天然颗粒的组成。Sarah Haber，当时是宾大的研究助理，确定了材料的化学成分，包括像粘土含量这样的重要数量。

Jerolmack说："我们有所有这些原始数据，但在理解这些数据时遇到困难。Robert Kostynick当时是宾夕法尼亚大学的硕士生，为他的论文接下了这个项目，并投入了大量的腿部工作和思考，以组织、解释和尝试折叠大量的数据。"

这些贡献依靠的是对与密集悬浮液中的作用力有关的前沿物理学的理解。这些包括摩擦，因为粒子相互摩擦；润滑，如果一层薄薄的水膜帮助粒子相互滑动；或者内聚力，如果像粘土一样的粘性粒子结合在一起。

Jerolmack说："我们很大胆，或者说很天真，试图将物理学的一些真正的最新发展应用于一种非常混乱的材料。"

宾夕法尼亚大学的博士后Shravan Pradeep也加入了这个团队，他在流变学方面有很深的背景，或者说是对复杂材料如何流动的研究。他准确地指出了土壤的材料特性--颗粒大小和粘土含量--如何决定其破坏和流动特性。他的分析表明，了解颗粒的粘性，即"屈服应力"，以及颗粒在"堵塞状态"下如何紧密地挤在一起，几乎可以完全解释在蒙特西托样本中观察到的结果。

Jerolmack说，可以通过想象牙膏或发胶来设想屈服应力。在一个管子里，这些材料不会流动。只有当对管子施加一个力--用力挤压--它们才会开始流动。卡住的状态可以被认为是颗粒如此拥挤，以至于它们无法互相移动的点。

"我们意识到的是，对于泥石流，当你不用力推它们时，它们的行为完全受屈服应力的支配，"Jerolmack说。"但是当你非常用力时--重力将泥石流带下山坡--粘性行为开始占主导地位，并由颗粒密度离拥堵状态有多远决定。"

在实验室里，研究人员无法模拟失败，即固体土壤受"堵塞"的限制，过渡到可移动的泥土的那一点。但是他们可以近似地进行反演，评估在不同浓度下与水混合的泥浆材料，以推断出卡住的状态。

"特殊之处在于，当你从自然界获得样本时，它们的成分、所含灰分的多少、你收集的地点等方面都可能是不一样的，"Arratia说。"然而最后，所有的数据只是崩溃成一个单一的主曲线。这告诉你，现在，你有一个普遍的理解，无论你是在实验室还是在蒙特西托的山上，都是如此。"

随着气候变化，许多地区的野火频率和强度在增加，降水事件的强度也在增加。因此，灾难性泥石流的风险并不会很快消失。

研究人员说，预测产量压力和堵塞状态的新发现可以帮助联邦和地方政府为模拟泥石流而进行的建模提供信息。Jerolmack说："比如说，如果下这么大的雨，我有这种材料，它将以多快的速度流动，流多远，"。

而从更普遍的角度来看，Jerolmack和他的同事们希望这项结合了理论和经验科学的工作能带来更多这样的跨学科方法。"我们可以利用物理学中的最新发现，实际上将它们与有意义的环境或地球物理问题直接联系起来。"

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