賓夕法尼亞州的Douglas Jerolmack和Paulo Arratia領導的研究人員利用來自2018年災難性的蒙特西托泥石流的樣本，更好地了解在這些災難中發揮作用的複雜力量。在2018年蒙特西托泥石流期間，強大的碎石流將巨石從溪流雕刻的峽谷中推向房屋，造成破壞和23人死亡。賓夕法尼亞大學領導的團隊的新發現，利用物理學的最新發展來了解支配泥石流的力量。

2017年12月初開始的托馬斯大火，在南加州燒毀了近30萬英畝的土地。火焰的強烈熱量不僅殺死了蒙特西托上方山坡上的植被和樹木，而且還燒毀了它們的根部。

一個月後的1月9日凌晨，一場強大的風暴在5分鐘內向荒蕪的山坡傾瀉了半英寸以上的雨水。無根的土壤變成了強大的泥漿，順著一條小溪形成的峽谷衝了下去，在奔跑中聚集了巨石，然後在底部散開，撞向房屋。這場災難奪去了23人的生命。

有可能防止這場悲劇嗎？一個堅固的斜坡開始像液體一樣滲出的點是什麼？賓大文理學院和工程與應用科學學院的Douglas Jerolmack領導的團隊與賓大工程學院的Paulo Arratia和加州大學聖巴巴拉分校（UCSB）的研究人員合作進行的新研究，利用尖端物理學回答了這些問題。他們進行了實驗室實驗，以評估蒙特西托泥石流樣本的破壞和流動行為是如何與土壤的材料特性相聯繫的。他們的研究結果最近發表在《美國國家科學院院刊》上。

2018年的泥石流，在火災後又下了一場大雨，威力巨大，破壞性強。在這裡，”泥線”標誌著它們流向加州蒙特西託的房屋的高度。

“我們沒有在那裡看到它的發生，”Jerolmack說，”但我們的想法是，’我們能否通過測量水和土壤的混合物在不同濃度下的流動情況，來了解固體山坡如何失去其剛性的過程？”

在2018年冬天，Jerolmack正在休假，並前往UCSB的Kavli理論物理研究所，但不是為了研究泥石流。”這是一個來錘煉物理學前沿課題的地方，”他說。”我是一個地球物理學家，但我在那裡不是為了做地球科學。我在那裡是為了學習前沿的物理學，特別是關於緻密懸浮物的物理學。”

然而，在Jerolmack到達研究所三天后就發生了這一自然災害。大約一個月後，在確保安全的情況下，加州大學洛杉磯分校的地質學家和論文的共同作者托馬斯-鄧恩邀請他去蒙特西託收集樣本。

這是一個嚴峻的任務。一些樣本來自於被破壞的房屋遺跡，山坡上的泥漿流足以將巨大的石塊順著溪床一直推到–有時是穿過房屋。”當我們到達峽谷口附近時，它幾乎就像一個巨石的方陣，房屋被埋到屋頂線；汽車被碾碎，無法辨認。”

將樣本帶回實驗室，研究人員的目標是模擬泥漿的成分和它所承受的壓力如何影響它開始流動，克服賦予物質剛性的力量，即科學家所說的”堵塞狀態”。

這並不是工程師和科學家第一次嘗試從現場樣本中進行這種建模。一些研究試圖通過將一鏟子泥土和泥漿放入大型流變儀中來模擬現場條件，流變儀是一種快速旋轉樣品以測量其粘度的設備，或者它們的流動如何響應一個定義的力。然而，典型的流變儀只有在物質均勻和混合良好的情況下才能給出準確的結果，而不像蒙特西託的樣品，其中含有不同數量的灰、粘土和岩石。

更加高科技和敏感的流變儀，可以測量微小數量的粘度可以克服這個缺點。但它們也有另一個缺點：含有較大顆粒的樣品–例如，泥漿中的岩石–可能會堵塞它們的精細工作。

Jerolmack說：”我們意識到，如果我們使用這種極其敏感的設備，我們可以進行我們知道是可靠和精確的測量，即使它的代價是必須從我們的樣品中篩出最粗糙的材料。”

從”骯髒”的樣品中獲得清晰的信號

這項調查依賴於每個團隊成員的專業知識。加州大學舊金山分校博士後哈迪斯-馬廷普爾（Hadis Matinpour）準備、記錄和繪製出第一批樣品，並分析了天然顆粒的組成。Sarah Haber，當時是賓大的研究助理，確定了材料的化學成分，包括像粘土含量這樣的重要數量。

Jerolmack說：”我們有所有這些原始數據，但在理解這些數據時遇到困難。Robert Kostynick當時是賓夕法尼亞大學的碩士生，為他的論文接下了這個項目，並投入了大量的腿部工作和思考，以組織、解釋和嘗試折疊大量的數據。”

這些貢獻依靠的是對與密集懸浮液中的作用力有關的前沿物理學的理解。這些包括摩擦，因為粒子相互摩擦；潤滑，如果一層薄薄的水膜幫助粒子相互滑動；或者內聚力，如果像粘土一樣的粘性粒子結合在一起。

Jerolmack說：”我們很大膽，或者說很天真，試圖將物理學的一些真正的最新發展應用於一種非常混亂的材料。”

賓夕法尼亞大學的博士後Shravan Pradeep也加入了這個團隊，他在流變學方面有很深的背景，或者說是對複雜材料如何流動的研究。他準確地指出了土壤的材料特性–顆粒大小和粘土含量–如何決定其破壞和流動特性。他的分析表明，了解顆粒的粘性，即”屈服應力”，以及顆粒在”堵塞狀態”下如何緊密地擠在一起，幾乎可以完全解釋在蒙特西托樣本中觀察到的結果。

Jerolmack說，可以通過想像牙膏或髮膠來設想屈服應力。在一個管子裡，這些材料不會流動。只有當對管子施加一個力–用力擠壓–它們才會開始流動。卡住的狀態可以被認為是顆粒如此擁擠，以至於它們無法互相移動的點。

“我們意識到的是，對於泥石流，當你不用力推它們時，它們的行為完全受屈服應力的支配，”Jerolmack說。”但是當你非常用力時–重力將泥石流帶下山坡–粘性行為開始占主導地位，並由顆粒密度離擁堵狀態有多遠決定。”

在實驗室裡，研究人員無法模擬失敗，即固體土壤受”堵塞”的限制，過渡到可移動的泥土的那一點。但是他們可以近似地進行反演，評估在不同濃度下與水混合的泥漿材料，以推斷出卡住的狀態。

“特殊之處在於，當你從自然界獲得樣本時，它們的成分、所含灰分的多少、你收集的地點等方面都可能是不一樣的，”Arratia說。”然而最後，所有的數據只是崩潰成一個單一的主曲線。這告訴你，現在，你有一個普遍的理解，無論你是在實驗室還是在蒙特西託的山上，都是如此。”

隨著氣候變化，許多地區的野火頻率和強度在增加，降水事件的強度也在增加。因此，災難性泥石流的風險並不會很快消失。

研究人員說，預測產量壓力和堵塞狀態的新發現可以幫助聯邦和地方政府為模擬泥石流而進行的建模提供信息。Jerolmack說：”比如說，如果下這麼大的雨，我有這種材料，它將以多快的速度流動，流多遠，”。

而從更普遍的角度來看，Jerolmack和他的同事們希望這項結合了理論和經驗科學的工作能帶來更多這樣的跨學科方法。”我們可以利用物理學中的最新發現，實際上將它們與有意義的環境或地球物理問題直接聯繫起來。”