2017 年 12 月初，托马斯大火蹂躏了南加州近 30 万英亩的土地。火焰的高温不仅杀死了蒙特西托上方山坡上的树木和植被，还蒸发了它们的根部。

一个月后，在 1 月 9 日黎明前的几个小时，一场强风暴袭击了贫瘠的山坡，五分钟内降雨量超过半英寸。无根的土壤变成了强大的泥浆，搅动着一条小溪雕刻的峡谷，在匆忙中捡起巨石，然后在底部散开并涌入房屋。23 人在这场灾难中丧生。

这场悲剧能避免吗？固体斜坡开始像液体一样渗出的临界点是什么？由宾夕法尼亚大学艺术与科学学院和工程与应用科学学院的Douglas Jerolmack领导的团队与宾夕法尼亚大学工程学院的Paulo Arratia和加州大学圣巴巴拉分校(UCSB) 的研究人员合作的新发现应用了尖端物理学来回答这些问题。他们的研究发表在《美国国家科学院院刊》上，进行了实验室实验，确定了 Montecito 泥石流样品的破坏和流动行为与土壤的材料特性之间的关系。

“我们当时并没有亲眼目睹它的发生，”杰罗马克说，“但我们的想法是，‘我们能否通过测量水和土壤的混合物在流动时的流动情况来了解固体山坡如何失去刚性的过程？在不同的浓度下？'”

融合理论与应用

2018 年冬天，Jerolmack 正在休假并前往加州大学圣地亚哥分校的Kavli 理论物理研究所——但不是为了研究泥石流。“这是一个可以解决物理学前沿问题的地方，”他说。“我是一名地球物理学家，但我不是来做地球科学的。我去那里是为了了解前沿物理学，尤其是关于稠密悬浮物的物理学。”

然而，在杰罗马克抵达三天后，泥石流发生了。大约一个月后，在安全的情况下，UCSB 的地质学家、论文的合著者Thomas Dunne邀请他从 Montecito 收集样本。

这是一项艰巨的任务。一些样本来自被毁坏的房屋遗迹，从山坡上流出的泥浆足够强大，足以将巨大的巨石从河床上推到——有时甚至穿过——房屋。“当我们接近峡谷口时，它几乎就像一排巨石，”杰罗马克说。“房屋被埋到屋顶线；汽车被粉碎，无法辨认。”

Jeromack与Thomas Dunnelmack（同校）和加州大学圣巴泥巴的Doug Burbank一起在泥石流月后从现场采集样本。科学家们用它们来了解它们的成分如何影响它失去坚固性所需的力。

将样品带回实验室，研究人员的目标是模拟泥浆的成分及其在开始流动时受到的压力如何影响，从而克服使物质变硬的力，科学家称之为“堵塞状态” 。”

这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泥土和泥土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装置，或者它们的流动如何响应定义的力。然而，典型的流变仪只有在物质均匀且混合良好的情况下才能给出准确的结果，不像 Montecito 样品那样含有不同数量的灰、粘土和岩石。

更多高科技和灵敏的流变仪可以测量微量的粘度，可以克服这个缺点。但它们带来了另一个问题：含有较大颗粒的样本——比如泥中的岩石——可能会堵塞它们的精细工作。

“我们意识到，如果我们使用这种极其灵敏的设备，我们可以进行我们认为可靠和精确的测量，”杰罗马克说，“即使它的代价是必须从我们的样品中筛出最粗糙的材料。”

来自“脏”样本的清晰信号

调查依赖于每个团队成员的专业知识。UCSB 博士后Hadis Matinpour准备、记录并绘制了第一批样本，并分析了天然颗粒的成分。时任宾夕法尼亚大学研究助理的莎拉·哈伯确定了材料的化学成分，包括粘土含量等重要量。

“我们拥有所有这些原始数据，但很难理解它，”杰罗马克说。“当时在宾夕法尼亚大学攻读硕士学位的罗伯特·科斯蒂尼克（ Robert Kostynick）为他的论文接手了这个项目，并投入了大量的工作和思想来组织、解释和尝试折叠大量数据。”

这些贡献依赖于对与致密悬浮液中起作用的力相关的尖端物理学的理解。这些包括摩擦，因为颗粒相互摩擦；润滑，如果一层薄薄的水帮助颗粒相互滑过；或凝聚力，如果像粘土这样的粘性颗粒结合在一起。

Jerolmack 说：“我们有胆量，或者可能是天真，试图将物理学的一些最新发展应用到一种非常混乱的材料上。”

Penn 博士后Shravan Pradeep也加入了该团队，他在流变学或复杂材料流动的研究方面有着深厚的背景。他精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（以“屈服应力”衡量）以及颗粒在“堵塞状态”下的紧密程度几乎可以完全解释在 Montecito 样品中观察到的结果。

Jerolmack 说，可以通过想象牙膏或发胶来设想屈服压力。在管中，这些材料不会流动。只有当对管施加力时——用力挤压——它们才会开始流动。阻塞状态可以被认为是粒子如此拥挤在一起以至于它们无法相互移动的点。

“我们意识到，对于泥石流，当你不大力推动它们时，它们的行为完全受屈服应力控制，”Jerolmack 说。“但是当你非常努力地推动时——重力将泥石流从山坡上冲下来——粘性行为开始占主导地位，并且取决于粒子密度与堵塞状态的距离。”

在实验室中，研究人员无法模拟失效，即受“干扰”约束的固体土壤转变为可移动泥浆的点。但他们可以近似相反，评估与不同浓度的水混合的泥质材料以推断堵塞状态。

“它的美妙之处在于，当你从大自然中获取样本时，它们的成分、灰分含量、采集地点可能遍布各处，”Arratia 说。“但最终，所有数据都只是折叠成一条主曲线。这告诉你，现在，无论你是在实验室还是在 Montecito 的山上，你都有一个普遍的理解。”

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

研究人员说，预测屈服应力和堵塞状态的新发现有助于为联邦和地方政府模拟泥石流所做的建模提供信息。“比如说，如果下这么大的雨，而我有这种材料，它会流多快，流多远，”杰罗马克说。

更一般地说，杰罗马克和他的同事希望这项结合了理论和经验科学的工作能够带来更多这样的跨学科方法。“我们可以利用物理学的最新发现，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。”

Douglas Jerolmack 是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院地球与环境科学系和工程与应用科学学院机械工程与应用力学系的教授。

Paulo Arratia 是宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院机械工程与应用力学以及化学与生物分子工程系的教授。

Jerolmack 和 Arratia 的研究合著者是宾夕法尼亚大学的 Robert Kostynick、Sarah Haber 和 Shravan Pradeep 以及加州大学圣巴巴拉分校的 Hadis Matinpour、Alban Sauret、Eckart Meiburg 和 Thomas Dunne。

该研究得到了陆军研究办公室（赠款 W911NF2010113 和 W911NF-18-1-0379）、国家科学基金会（赠款 1720530 和 1734355）、石油研究基金（赠款 61536-ND8）和约翰麦克法兰基金会的支持。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。