W Scientific Report ukazał się artykuł autorstwa dr inż. Magdaleny Mrokowskiej z Zakładu Hydrologii i Hydrodynamiki IGF PAN, dotyczący tej tematyki.

Przemieszczanie się cząstek stałych z powierzchniowych warstw do głębin jest istotne dla kluczowych procesów zachodzących w morzach, oceanach oraz jeziorach. Plankton oraz martwa materia organiczna opadające pod wpływem grawitacji biorą udział w obiegu węgla wpływając na kształtowanie klimatu, z kolei cząstki antropogeniczne takie jak mikroplastiki stanowią poważne zagrożenie dla ekosystemu. To jak szybko i w jakiej formie materia organiczna i zanieczyszczenia dotrą do głębszych warstw mórz i oceanów zależy od rodzaju i intensywności procesów (biologicznych, fizycznych i chemicznych), jakim cząstki podlegają w toni wodnej.

Bogactwo tych procesów w połączeniu z różnorodnością własności fizycznych cząstek sprawia, że określanie ilości oraz szybkości transportu materii jest obarczone znaczną niepewnością. Ponadto, niektóre z procesów pozostawały przez długi czas niezauważone i dopiero niedawno przyciągnęły uwagę badaczy. 

Choć wiadomo, że wody morskie charakteryzuje uwarstwienie gęstościowe wywołane zasoleniem i temperaturą, stosunkowo niedawno przystąpiono do badań nad wyjaśnieniem procesów odpowiadających za akumulację cząstek na tzw. skokach gęstości, które rozdzielają warstwy wody o większej gęstości poniżej i mniejszej powyżej. Badania z zakresu mechaniki płynów uzupełniające prace oceanologiczne wykazały, że proste wyjaśnienie akumulacji jako efektu zmniejszenia prędkości cząstek w gęstszym ośrodku nie jest pełne i istotne znaczenie ma pionowy gradient gęstości w słupie cieczy, który jest źródłem dodatkowych oporów działających na cząstkę. Na razie naukowcy są na etapie poznawania podstawowych procesów fizycznych biorących udział w tym zjawisku.

Nowych informacji w tym zakresie dostarczyły ostatnie badania dr inż. Magdaleny Mrokowskiej, która przeprowadziła serię eksperymentów laboratoryjnych dotyczących dynamiki opadania dysków w kolumnie zasolonej wody z dwoma warstwami o jednorodnej gęstości i warstwą przejściową z gradientem gęstości pomiędzy nimi. Jak podaje autorka „wcześniejsze badania laboratoryjne dotyczące opadania cząstek stałych w takich warunkach były prowadzone głównie dla cząstek kulistych, czyli kształtu, który jest najłatwiej opisać. Jednak w środowisku naturalnym występuje ogromne bogactwo kształtów cząstek stałych, dlatego postanowiłam przyjrzeć się dynamice dysków, które z dość dobrym przybliżeniem reprezentują kształt dużej grupy glonów, mikroplastików oraz cząstek mineralnych.” Obiektem badań były dyski o średnicy nie przekraczającej 3 mm wykonane z plastiku, które z jednej strony pod względem własności fizycznych modelowały szeroką grupę cząstek naturalnych, a z drugiej pozwalały odnieść się bezpośrednio do dynamiki mikroplastików w środowisku wodnym. Eksperymenty dotyczyły procesów w mikroskali, tzn. na poziomie pojedynczej cząstki.

Badania opublikowane w listopadzie w Scientific Reports oraz wcześniejsze prace autorki dostarczyły eksperymentalnych dowodów na to, że gradient gęstości wpływa nie tylko na zmniejszenie prędkości opadających dysków, ale także powoduje niestabilność cząstki -  dysk przyjmujący stabilne poziome położenie w warstwie cieczy o jednorodnej gęstości odchyla się w obecności gradientu gęstości nawet do pozycji pionowej. W konsekwencji dysk opadając w słupie cieczy z warstwą przejściową wykonuje szereg „akrobacji” czemu towarzyszą zmiany prędkości opadania wynikające ze złożonych zależności pomiędzy oporami działającymi na dysk a orientacją przestrzenną cząstki. Metody wizualizacyjne zastosowane w badaniach ujawniły także nie obserwowane wcześniej formy przepływu płynu wokół dysku wkraczającego do warstwy przejściowej, co rzuca nowe światło na powstawanie niestabilności położenia cząstki.

„Poznanie złożoności dynamiki dysków opadających w uwarstwionym gęstościowo ośrodku może być pomocne w wyjaśnieniu procesów zachodzących w wodach naturalnych w skali mikro związanych np. z agregacją cząstek, interakcją mikroplastików z mikroorganizmami, ekologią planktonu, wszędzie tam, gdzie procesy zachodzą w obecności gradientu gęstości ośrodka i zależą w pewien sposób od przestrzennej orientacji cząstek”- zauważa autorka.

Z kolei w odniesieniu do skali makro przeprowadzone badania demonstrują, że prędkość opadania cząstek niekulistych, tak licznych w wodach naturalnych, w obecności gęstościowego uwarstwienia ośrodka może ulegać znaczącej redukcji w porównaniu z wartościami szacowanymi za pomocą istniejących modeli.

Dr Mrokowska prowadzi badania nad dynamiką opadania cząstek w Pracowni Mikromodeli Hydrodynamicznych IGF PAN, obecnie rozwijając tę tematykę w ramach projektu Sonata NCN.