Молочная гладкая текстура пляжного стекла напоминает об истории турбулентного транспорта, шероховатые края стираются, создавая изгибы. Такие же гладкие черты можно увидеть в речных скалах и песках дюн.
Сочетая математические модели с лабораторными экспериментами и полевыми измерениями в реке, океане и на дюнах, группа под руководством геофизика из Пенсильванского университета Дугласа Дж. Джеролмака обнаружила, что одни и те же общие процессы управляют округлением этих разнообразные типы частиц. Они сообщили о своих выводах в журнале Science Advances.
«Мы показываем, что переносимый ветром песок, речная галька и галька, обработанная волнами, одинаково сталкиваясь друг с другом», - говорит Джеролмак. «И, что более важно, мы показываем, как природа выбирает условия, которые приводят к этому универсальному поведению».
Математические модели, объясняющие универсальность этой эволюции, были созданы в последние десятилетия в попытке доказать гипотезу Пуанкаре, крупный прорыв в чистой математике. Оказывается, те же самые уравнения имеют и вторую, не менее интересную интерпретацию как модели естественной эволюции формы.
Развитие этого обобщения о том, как круглые частицы могут помочь ученым собрать воедино историю других частиц, - стратегия, которую Джеролмак и его коллеги использовали для реконструкции истории перемещения гальки на Марсе в статье Nature Communications 2015 года, в которой подтверждалась вероятность существования жидкости. вода на этой планете.
Работа также может позволить исследователям отслеживать частицы осадка, которые откалываются от более крупных частиц. Маленькие, но могучие, эти зерна создают заболоченные земли, поймы и пляжи, влияя на все: от устойчивости к ураганам до продуктивности сельского хозяйства.
Исследовательская группа, в которую входили Габор Домокос, математик из Будапештского университета технологии и экономики, и Тимеа Новак-Сабо, исследователь с докторской степенью, которая провела время в лабораториях Джеролмака и Домокоша, ранее обдумывала, как речные скалы округлые. В более ранних исследованиях они показали, что эти частицы сначала становятся гладкими, когда они отскакивают от русла реки, их острые углы откалываются, а затем становятся меньше, поскольку продолжают сталкиваться с другими частицами.
В новой работе они показывают, как простая геометрия предсказывает общую эволюцию формы для большинства отложений, будь то песчинки, развеваемые ветром, блоки известняка, сталкивающиеся во вращающемся барабане в лаборатории, или галька, сбиваемая океанскими волнами..
Используя наборы данных из дюн Белых Песков в Нью-Мексико, русла реки Пуэрто-Рико, итальянского пляжа и лаборатории Домокоса, исследователи показали, что их предположение было верным: столкновения с другими частицами заставляли все эти частицы округляться в идентичным образом.
Сходство возникает из-за ограничений, которые разделяют частицы, путешествующие по руслу - будь то река, дюна или океан. Исследователи обнаружили, что эти частицы, как правило, имеют вытянутую форму, сталкиваются с частицами аналогичного размера и делают это с такой силой, которая способствует откалыванию мелких фрагментов осадка, в отличие от более крупных сил, которые могут привести к разрушению частицы. дробиться на большие куски или слабые силы, которые изнашивали бы поверхность, как наждачная бумага.
С этим общим правилом у исследователей есть математические инструменты, необходимые им для реконструкции истории переноса любой частицы отложений на основе ее формы, что улучшает их способность прогнозировать эволюцию ландшафта с течением времени.
Работа была поддержана Korányi Fellowship, венгерской OTKA (грант 119245) и обсерваторией критической зоны Luquillo Национального научного фонда (грант EAR-1331841).