沉降海洋雪粒子碰撞动力学中的输运扩散桥接

沉降的海洋雪粒子主要由有机物组成，控制着光合作用固定碳从海洋表面向深度的全球排放。沉降海洋雪粒子的命运部分取决于其与悬浮微小物体的碰撞，这些物体会导致粒子质量增积，可能改变其浮力；也会与可定植于粒子上的细菌发生碰撞并被降解。碰撞率通常通过两种模型计算：一种是针对直接（球面）截获（具有有限相互作用范围），另一种是针对输动扩散捕获（相互作用范围为零）。由于两种模型适用范围未知，且许多相关的海洋碰撞情景跨越两个体制，量化此类碰撞仍然具有挑战性，因为两种模型在高 Péclet 数时会得到渐近上不同的预测。本文通过理论分析和数值模拟的结合，在一般情况下的碰撞量化问题上实现了两种极限方法的统一。我们对 Stokes 流动中围绕球体的扩散-输动方程进行求解，以模拟由小而有限尺寸的物体对大型沉降粒子进行质量转移。我们确定了谢尔韦数作为两个无量纲参数（Péclet 数和小粒子与大粒子尺寸比）函数的新公式。我们发现即使在高 Péclet 数下，扩散也在产生碰撞中发挥重要作用。在 Péclet 数达到 $10^6$ 时，直接截获模型的碰撞率可能低估了两个数量级。这种扩散对碰撞的被忽视贡献表明，影响海洋雪粒子命运的重要过程（如细菌和浮游动物的定植，或中性浮力凝胶的增积）可能以此前所想象的更快速度进行。