Природа полна повторяющихся узоров, которые являются частью красоты нашего мира. Международная команда, в которую вошел исследователь из Вашингтонского университета, использовала современные инструменты для объяснения повторяющихся узоров камней, образующихся в холодных ландшафтах.
Новое исследование, опубликованное 5 октября в Proceedings of the National Academy of Sciences, использует экспериментальные инструменты, чтобы показать, как ледяные иголки, растущие случайным образом на мерзлой земле, могут постепенно перемещать камни в регулярные, повторяющиеся узоры. Команда, базирующаяся в основном в Китае и Японии, использует комбинацию новых экспериментов и компьютерного моделирования, чтобы описать эти поразительные особенности с помощью новых теоретических идей.
«Присутствие этих удивительных закономерностей, которые развиваются без какого-либо вмешательства человека, довольно поразительно по своей природе», - сказал соавтор Бернард Халлет, почетный профессор UW в области наук о Земле и космосе и член Центра четвертичных исследований. "Это похоже на японский сад, но где садовник?"
Hallet специализируется на изучении узоров, которые формируются в полярных регионах, высокогорных и других холодных условиях. Одна из причин появления узоров - игольчатый лед. При понижении температуры влага, содержащаяся в почве, вырастает в шипы из кристаллов льда, торчащие из земли.
"Когда вы выходите на задний двор после морозной ночи и чувствуете легкий хруст под ногой, вы, вероятно, идете по игольчатому льду", - сказал Халлет.
По мере образования игольчатого льда он имеет тенденцию выталкивать частицы почвы и, если они есть, мелкие камни. По словам Халлета, на участках голой почвы может образоваться больше игольчатого льда, чем на участках, покрытых камнями. Ледяные иголки немного сместят любые оставшиеся камни в более голой области. С годами камни начинают группироваться, оставляя голые участки практически без камней.
«Такой выборочный рост включает интересную обратную связь между размером камней, влажностью почвы и ростом ледяных иголок», - сказал Халлет.
Халлет ранее рецензировал другую научную статью первого автора Анюана Ли, ранее работавшего в Шаосинском университете, а теперь в Университете Цукуба в Японии. Они начали сотрудничество, в котором многолетний опыт Халлета в изучении закономерностей природы сочетается с опытом Ли и его сотрудников в экспериментальной науке и компьютерном моделировании..
Старший автор Цюань-Син Лю из Восточно-китайского педагогического университета использует полевые и лабораторные эксперименты, чтобы понять закономерности самоорганизации в природе. Для этого исследования экспериментальная установка представляла собой плоский квадрат влажной почвы со стороной чуть более 1 фута (0,5 м).4 метра), который начинался с равномерно расположенных на поверхности камней. Исследователи провели эксперимент через 30 циклов замораживания-оттаивания. К концу этого времени стали появляться регулярные паттерны.
«Видео поразительно, и они показывают, что лед просто поднимается и за один цикл толкает камни вверх и немного сдвигает их в сторону», - сказал Халлет. «Благодаря этим экспериментам и способностям людей, участвовавших в анализе этих результатов, у нас есть гораздо более осязаемые количественные описания этих характеристик».
В дальнейших экспериментах изучалось, как картина меняется в зависимости от концентрации камней, уклона земли и высоты ледяных иголок, на которую также влияет концентрация камней. Основываясь на этих результатах, авторы написали компьютерную модель, которая предсказывает, какие узоры появятся в зависимости от концентрации камней на склонной к морозу поверхности.
Другими соавторами нового исследования являются Нориказу Мацуока из Университета Цукуба; Фуцзюнь Ню из Южно-Китайского технологического университета; Цзин Чен и Венси Ху из Восточно-китайского педагогического университета; Дешэн Ли из Шанхайского университета Цзяо Тонг в Китае; Йохан ван де Коппель из Гронингенского университета в Нидерландах; и Найджел Голденфельд из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Исследование финансировалось Второй научной экспедицией и исследовательской программой Тибетского нагорья; Японское общество содействия науке; Национальный фонд естественных наук Китая; Китайская академия наук; и Китайский стипендиальный совет.