2022
08/23
相关创新主体

创新背景

沙漠可能看起来毫无生气,但其实它们也非常有活力,尤其是沙丘。根据一项长达数十年的研究项目可以得知,沙丘能够生长和移动,它们还会呼吸潮湿的空气。

该项目的研究开始于近40年前,不仅跨越了大量的时间,而且跨越了多种地形。当时卢格正在研究流体、气体和固体颗粒的行为。为了更敏感地测量物质,他和他的学生开发了一种称为电容探头的新型仪器,它能够使用多个传感器来记录从固体浓度到速度到含水量的一切,而且具有前所未有的空间分辨率。直到后来,通过与Capacitec公司的合作,利用几何和电子方面的技术证实了这种新型的电容探头在水文研究中同样有用。于是,研究团队利用探测器开始了对沙丘中的水分含量的研究。

 

创新过程

来自康奈尔大学的米歇尔·卢格领导的研究团队于2022年3月21日在《地球物理研究杂志-地球表面》上发表了一篇题目为 “Water Vapor Transport Across an Arid Sand Surface - Non-Linear Thermal Coupling, Wind-Driven Pore Advection, Subsurface Waves, and Exchange with the Atmospheric Boundary Layer”的研究论文。

在21世纪初,卢格开始与法国南特大学的Ahmed Ould el-Moctar合作,利用探测器研究沙丘中的水分含量,以便更好地理解农田变成沙漠的过程。随着全球气候变化的加剧,这种研究变得更加迫切。

其他的探测器可以测量大量的物质,而该研究开发的探测器则可以深入到更小的地方,收集毫米级的数据,以精确地确定沙子中水分的数量和密度。不过,要在新环境中工作,需要修改探针。于是,卢格开始了长达十年的试错过程,他定期前往卡塔尔和毛里塔尼亚的沙漠,试验不同版本的探测器。

探测器最终揭示了沙子的多孔性,有少量空气渗入其中。之前的研究曾暗示沙丘中存在这种类型的渗漏,但直到现在还没有人能够证明这一点。

研究人员表示,当风流过沙丘,造成了局部压力失衡,这迫使空气进入沙子并从沙子中流出。所以沙子在呼吸,就像生物呼吸一样。这种“呼吸”使微生物能够在高温下,在极度干旱的沙丘深处持续生存。

研究团队还确定,沙漠表面与大气交换的水分比预期的要少,而且水从单个沙粒蒸发的行为就像一个缓慢的化学反应。

他们的大部分数据是在2011年收集的,但研究团队仍然花了十年的时间来理解其中的一些发现,比如识别出地表的扰动,迫使蒸发的或非线性的湿度波非常快地向下传播到沙丘中。

研究人员预计他们的探测器将有许多应用——从研究农业中土壤吸收或排水的方式,到校准沙漠上空的卫星观测,再到探索可能存在微量水的地外环境。

该探测器也可以检测药品中的水分污染。自2018年以来,研究团队一直与默克公司合作,将这些探头用于连续制造,这是比批量生产更快、更高效、更便宜的系统。

 

创新价值

这项研究利用一种称为电容探头的新型仪器,首次表明了水蒸气是如何穿透粉末和颗粒的。这种新型探头可能在制药研究、农业和食品加工,以及行星探索等远远超出沙漠的范围也具有广泛应用的价值。

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