[論文レビュー] Equal Susceptibility and Size-selective Mobility in Aeolian Saltation

Raleigh L. Martin, Jasper F. Kok|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2017

Aeolian processes and effects参考文献 34被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、混合サイズの風化堆積物が非相互作用的な単一粒子サイズ系として扱われるという一般的な仮定に挑戦する。3か所の現場測定を通じて、全サイズの砂粒子が同一の臨界風剪断応力で同じように風化移動に敏感であることが判明した一方、移動性は強くサイズ選択的であり、中間粒子径の0.4〜0.8倍のサイズでピークを示し、この範囲を超えると急激に低下する。これらの結果は、現在のモデルが風化移動のダイナミクスを単純化していることを示し、複数のサイズクラスを独立して扱うのではなく、一つの代表粒子径を用いることでモデルを改善できる可能性を示している。

ABSTRACT

Natural wind-eroded soils generally contain a mixture of particle sizes. However, models for aeolian saltation are typically derived for sediment bed surfaces containing only a single particle size. To treat natural mixed beds, models for saltation and associated dust aerosol emission have typically simplified aeolian transport either as a series of non-interacting single particle size beds or as a bed containing only the median or mean particle size. Here, we test these common assumptions underpinning aeolian transport models using measurements of size-resolved saltation fluxes at three natural field sites. We find that a wide range of sand size classes experience equal susceptibility to saltation at a single common threshold wind shear stress, contrary to the selective susceptibility expected for treatment of a mixed bed as multiple single particle size beds. Furthermore, we observe strong size-selectivity in the mobility of different particle sizes, which is not adequately accounted for in current models. At all field sites, mobility is enhanced for particles that are 0.4-0.8 times the median bed particle diameter, while mobility declines rapidly with increasing particle size above this range. We further observe that the most mobile particles also experience the largest saltation heights, which helps to explain variations in size-selective mobility. These observations refute the common simplification of saltation as a series of non-interacting single particle sizes. Sand transport and dust emission models that use this incorrect assumption can be both simplified and improved by instead using a single particle size representative of the mixed bed.

研究の動機と目的

• 風化移動モデルにおける混合サイズの風化堆積物を非相互作用的単一粒子サイズ系として簡略化する仮定の妥当性を検証すること。
• 自然の混合サイズ床に存在する異なる粒子サイズが、風化移動に対して選択的に感受性を示すかどうかを調査すること。
• 風化移動におけるサイズ選択的移動性を定量し、輸送およびダスト発生モデルに与える影響を評価すること。
• 混合サイズ環境において、非相互作用的単一サイズ床を仮定する現在のモデルと、観測された現場データを比較して評価すること。

提案手法

• 混合粒子径分布を有する3か所の自然な風蝕現場で、サイズ別風化移動フラックスを現場測定した。
• 風化移動の開始に必要な臨界風剪断応力を、複数の粒子サイズクラスに対して測定し、感受性を評価した。
• 粒子径に対する風化移動フラックスの相対的傾向を比較することで、移動性のトレンドを分析し、粒子径と床の中央径比に注目した。
• 粒子の移動性と観測された風化移動高さを関連付けることで、サイズ選択的輸送行動の説明を試みた。
• 実測データを用いて、非相互作用的単一生産サイズ仮定と統合的代表サイズアプローチの間でモデル性能を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混合風化堆積物内の異なる粒子サイズは、共通の臨界風剪断応力で同じように風化移動に感受性を示すか？
• RQ2 自然の混合サイズ床内における風化移動において、粒子サイズは移動性にどのように影響するか？
• RQ3 サイズクラス全体にわたり、風化移動高さと粒子移動性の相関はどの程度強いか？
• RQ4 非相互作用的単一生産サイズ床を仮定する現在のモデルは、混合サイズ環境における観測データとどの程度一致するか？
• RQ5 一つの代表粒子径を用いることで、混合床における風化移動ダイナミクスを正確に捉えられ、モデルの単純化と精度向上が図れるか？

主な発見

• 混合風化堆積物内の全粒子サイズクラスが、同一の臨界風剪断応力で同じ感受性を示す。これは、非相互作用的単一生産サイズモデルの予測とは矛盾する。
• 移動性は強くサイズ選択的であり、床の中央粒子径の0.4〜0.8倍のサイズでピークを示す。
• 中央粒子径の0.8倍を超えるサイズでは、移動性が急激に低下し、強いサイズ依存輸送効率を示す。
• 最も移動性の高い粒子は、最も高い風化移動高さに達しており、これが観察されたサイズ選択的移動性パターンの説明に役立つ。
• 観測されたサイズ選択的移動性と等しい感受性は、風化移動モデルにおいて非相互作用的単一生産サイズ系の仮定を無効にすることを示している。
• 混合床に対して単一生産粒子径を用いるモデルは、複数サイズ非相互作用仮定よりも単純化され、かつ精度を向上させられる。