Фізика
Фізика

Ріст крижаних голок під камінням змусив зібратися його у візерунок

У холодних регіонах нашої планети часто можна зустріти круги, лабіринти і стрічки з каміння, що мають цілком природне походження. Фізики вирішили дослідити цей процес самоорганізації та дійшли висновку, що рушійним механізмом цього явища є крижані голки - іній на поверхні. Поки вони ростуть, їм вдається зрушувати каміння з місця і так створювати візерунки. Як вчені складали каміння у лабораторії та створювали для цього математичну модель, вони повідомили у Proceedings of the National Academy of Sciences.

Bernard Hallet / University of Washington

Bernard Hallet / University of Washington

Що таке ґрунтові візерунки?

Візерунки з каміння, які мають вигляд набору кругів, лабіринтів та стрічок зустрічаються в усіх холодних регіонах нашої планети. Їх можна зустріти на півночі Канади, у Норвегії, у Сибіру, у багатьох високогірних регіонах. Ці візерунки ніким не створювалися і мають природне походження. Достатньо давно було запропоновано теорію, що їхнє утворення пов’язане із різкими перепадами температури, при яких вона перетинає точку замерзання води.

При таких температурах спостерігається утворення криги у вигляді тонких голок. Можна вважати це різновидом інею, але варто пам’ятати, що в описаних вище місцевостях довжина таких голок може досягати десятки міліметрів. Дослідники з Університету Вашингтона створили модель процесу, яка описує утворення візерунків з каміння в умовах багаторазового повторення циклів утворення та танення крижаних голок.

На допомогу їм прийшла теорія фазової сепарації. Ця достатньо складна концепція народилася як наслідок моделювання нерівноважних термодинамічних процесів, при яких спостерігається явище самоорганізації. Ця концепція вже змогла пояснити, чому при замерзанні води крига має нерівні краї і часто утворює довгі «язики». Тепер її застосували до пояснення виникнення лабіринтів з каміння.

Що показали експерименти?

Основною ідеєю дослідників стало те, що крижані голки при своєму рості переміщують камінці вгору і трохи убік. При цьому у процесі спостерігається зворотний зв'язок, але прив’язаний він не до масштабів процесу, а до концентрації. Тобто довжина переміщення каміння залежить не від того, наскільки далеко воно переміщувалося перед тим і не від його розміру, а від того, наскільки багато каміння знаходиться у даній області.

Для перевірки цього припущення було здійснено експеримент у якому у лабораторній камері на ґрунті розсипали рівномірним шаром камінці та розпочинали у камері послідовні цикли швидкого заморожування та відтавання. При цьому у різних дослідах вчені варіювали кількість камінців, а ухил поверхні, на якій вони лежать.

Вже після 10-15 циклів заморожування-відтаювання дослідники побачили утворення візерунків. Спочатку частина камінців збиралася разом, утворюючи кластери, потім ці кластери починали рости, з’єднуватися між собою і, зрештою, утворювали лабіринтоподібний візерунок. Але так відбувалося тільки у тому випадку, коли каміння було достатньо багато, а поверхня була рівною. Якщо ж на початку експерименту частка поверхні, вкритої камінням складала менше ніж 20 відсотків, то замість того, аби утворювати лабіринти, ті кластери, які все ж утворювалися ставали круглими. Нарешті, при наявності достатньо сильного ухилу поверхні камінці утворювали на ній зміїсті стрічки. Усе це відповідало тій картині, що спостерігається у регіонах із холодним кліматом.

Еволюція кам'яного візерунка, спричиненого ростом і розпадом голкового льоду на кам'яному покриві. Anyuan Li et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

Еволюція кам'яного візерунка, спричиненого ростом і розпадом голкового льоду на кам'яному покриві. Anyuan Li et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

Як крижані голки взаємодіють із камінням?

Детальний аналіз результатів експерименту розкрив подробиці утворення лабіринтів із каменю. Дійсно, справа у зворотному зв’язку концентрації каміння та швидкості їх переміщення. Чим меншою є концентрація каміння на ділянці, тим інтенсивніше на ній ростуть крижані голки. Відповідно, у тих місцях камінці переміщуються сильніше, при цьому напрямлені ці переміщення переважно у регіони із максимальною концентрацією каміння.

А далі у гру вступають закони самоорганізації. Мінімальна нерівномірність у розміщенні камінців призводить до утворення кластерів, а при великій концентрації крижані голки вже не можуть зруйнувати візерунок, що утворився. Вони тільки складають усе нові та нові камінці поверх старих. Ну а ухил додає до суми сил, що діють на камінці під час їх переміщення ще й силу гравітації, що штовхає їх униз по схилу, деформуючи візерунок.

Дослідження цікаве тим, що воно пропонує єдиний механізм утворення для кам’яних лабіринтів по усій планеті й навіть за її межами. Річ у тім, що умови на Марсі дуже схожі на Земні й там вже виявлено дуже схожі візерунки. Дослідники припускають, що при зміні кліматичних умов так візерунки можуть руйнуватися. Тож їх цілісність може слугувати індикатором кліматичних змін.

Вчені не вперше заморожують каміння у своїх лабораторіях. Так вдалося пояснити вміння каменів «входити у дзен» - з'ясувалося, що відкинута ними тінь зупиняє сублімацію криги і так піднімає їх на п'єдестал.


Фото в анонсі: Кам'яні кільця у Норвегії. Hallet / University of Washington