微塑料是一个全球性问题：它们最终流入河流和海洋，在生物体内积聚并破坏整个生态系统。微小颗粒在洋流中的行为很难用科学来描述，尤其是细纤维，它们占海洋生物体内微塑料污染的一半以上。在湍流中，几乎不可能预测它们的运动。

维也纳技术大学的科学家现在借助高速摄像机成功地在水渠流动实验中描述了这种微塑料纤维的行为。这现在应该成为预测全球微塑料扩散的新模型的基础。

细小弯曲的纤维

“微塑料颗粒如何移动、分散和沉降取决于它们的旋转动力学，”本文第一作者、维也纳技术大学 Alfredo Soldati 教授团队的博士生 Vlad Giurgiu 解释道。

“对于几乎呈球形的颗粒，这很容易分析。但通常情况下，微塑料是细长的弯曲纤维。”在这种情况下，会产生复杂的效应：纤维可以在三个空间方向上旋转，这种旋转也会影响它们与周围流体的相互作用。

“在完全均匀的层流中，我们可以从理论上预测简单物体的行为，比如球体或椭圆体，”与维也纳技术大学流体力学和传热研究所的团队合作的 Marco De Paoli 说道。

“但在现实世界中，你面对的既不是完美的层流，也不是完全对称的粒子。相反，湍流和复杂形状的存在，对粒子的传输有显著的影响。这使得理论预测变得不可能。”

究竟发生了什么很难计算。“目前已经有了各种计算机模拟，但它们都依赖于简化模型来描述纤维的行为，”Giurgiu 说。“因此你需要实验数据来比较和改进这些理论模型。”

位于阿森纳科学中心(维也纳)的维也纳技术大学湍流水道恰恰可以获取此类数据。该水道可在 8.5 米长的路径长度上产生受控水流。将长度为 1.2 毫米的弯曲微型塑料纤维放入水中，并暴露于湍流中。

六个摄像头比两个摄像头能看清更多情况

研究团队在水面上方安装了六台特殊摄像机，以每秒 2,000 张的频率收集水流中微塑料颗粒的高分辨率图像。然后可以通过分析这些图像来计算每个微塑料颗粒的三维位置和方向。

“从理论上讲，仅使用两台摄像机也能实现这一目标，但如果使用六台摄像机，数据会更加可靠和准确，尤其是在颗粒浓度较高的情况下，”这项研究的共同作者、维也纳技术大学流体力学与传热研究所光学重建负责人 Giuseppe Carlo Alp Caridi 解释道。

通过这种方式，可以提取有关数十万个微塑料颗粒运动的大量数据，然后进行统计分析。“例如，事实证明，纤维在靠近墙壁的地方表现出的行为与在远离墙壁的水流中间表现出的行为完全不同，”Giurgiu 解释说。

这意味着现在首次可以获得可靠的数据来验证此类颗粒行为的理论计算模型。未来还应该能够预测大规模微塑料纤维的传播。

“想象一下，你有一艘船，可以过滤海水中的微塑料，”德保利说。“然后你需要知道把这艘船送到哪里最好——毕竟，海洋真的很大。如果你准确地了解了粒子的行为，那么答案就可以非常可靠地计算出来。”