Математики приблизились к разгадке формирования каменных лесов

Растворимые камни постепенно распадаются, окружающая их жидкость становится тяжелее, и гравитация тянет её вниз


Каменный лес в китайской провинции Юньнань, возможно, возник в результате растворения камней и работы гравитации, что породило естественные конвекционные потоки

В природе хватает удивительных геологических формаций – от Дороги гигантов в Ирландии до Каслтонской башни в американском штате Юта. Различные процессы формирования таких структур давно интересуют учёных. Команда специалистов по прикладной математике из Нью-Йоркского университета обратила внимание на т.н. “каменные леса”, часто встречающиеся в определённых районах Китая и Мадагаскара. Такие образования островерхих камней, как Каменный лес в китайской провинции Юньнань, по мнению команды учёных, представляют собой результат растворения камней, которые превращаются в жидкость в присутствии гравитации, что приводит к появлению естественных конвекционных потоков. Команда описала свои открытия в работе, недавно опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Соавтор работы Лейф Ристроф рассказал журналу Ars, что его группа из лаборатории прикладной математики при Нью-Йоркском университете пришла к изучению каменных лесов (технически – одной из разновидностей карстовой топографии) обходным путём. Они использовали симуляции и эксперименты для изучения интересных форм, появляющихся в ландшафтах из-за различных формовочных процессов – в основном, эрозии и растворения.

“Впервые мы увидели пики, сформированные в результате растворения пород, когда оставили леденец в ёмкости с водой, и позже обнаружили там острый шпиль, – сказал он. – Аспирант и первый автор работы Мак Хуан, даже порезался, изучая эту форму. Это привлекло нас к изучению данной задачи, и мы были в восторге, поняв, что существует связь между ней и каменными колоннами, и каменными лесами, формирование которых долгое время оставалось загадкой. Мы надеемся, что наши эксперименты расскажут простую историю происхождения этих форм ландшафта”.

Чтобы проверить симуляцию в лаборатории, команда залила в формы смесь сахара, кукурузного сиропа и воды, чтобы получить кирпичики и колонны отвердевших леденцов – таким было приближение к породе растворимого камня, обычно формирующего карст. В формах с кирпичиками присутствовали вертикальные металлические штырьки, “засеявшие” блоки полостями, чтобы ещё лучше аппроксимировать породу. Эти блоки и колонны леденцов учёные поместили в ёмкости из оргстекла, наполненные дегазированной водой комнатной температуры, достаточно глубокие для того, чтобы растворённый в воде сахар оседал на дне, подальше от изучаемых объектов. Процесс растворения они снимали на фотоаппарат с минутными интервалами.

Таймлапс эксперимента можно посмотреть ниже – на видео заметно, как растворяющийся блок леденца превращается в набор острых шпилей, напоминающих лежанку из гвоздей. Изначально у блока есть полости, а потом, будучи помещённым в воду, он растворяется, превращаясь в “конфетный лес”, перед тем, как полностью разрушиться.

Этот процесс идёт даже в неподвижной воде. “Мы обнаружили, что этот процесс растворения сам по себе генерирует потоки воды, отвечающие за вырезание шпилей, – сказал Ристроф. – По сути, минерал – или, как в наших экспериментах, леденец, имитирующий камень – растворяется, из-за чего окружающая его жидкость становится тяжёлой и стремится вниз в силу гравитации. Поэтому наш механизм не требует каких-то определённых свойств потока или иных внешних обстоятельств – в рецепте участвуют только растворение жидкости и гравитация”.

Учёные предполагают, что сходные механизмы формируют каменные леса – просто на куда как больших временных масштабах. Такие растворимые камни, как известняк, доломит и гипс погружаются в воду, где минералы медленно растворяются в окружающей воде. Более тяжёлая вода погружается под действием гравитации, и эти потоки постепенно формируют карст. Вода отходит, и из-под неё выступают каменные леса.

Яндекс.Шеф: еда по подписке; 500 р на первую доставку по ссылке

Оплатите подписку, и реклама отключится

На первый взгляд эти каменные леса очень похожи на “снега кающихся” – заснеженные колонны льда, формирующиеся в очень сухом воздухе высокогорных ледников Анд. Некоторые физики предположили, что эти колонны образуются, когда солнечный свет возгоняет снег, превращая его напрямую в пар, без жидкой фазы. Начинают формироваться небольшие вершины и низины, в которые попадает солнечный свет; там он создаёт дополнительное тепло, что углубляет низины, играющие роль линз, ещё сильнее ускоряющих процесс сублимации. В альтернативном предположении описывается дополнительный механизм, отвечающий за странную периодичность и постоянное расстояние между колоннами: комбинация диффузии пара и передачи тепла, создающая крутой температурный градиент, из-за чего скорость сублимации увеличивается.

Физики смогли создать искусственный аналог “снегов кающихся” в лаборатории. Но на самом деле механизмы формирования этих снегов и каменных лесов очень сильно отличаются. “Их схожесть довольно поверхностная, – сказал Ристроф. – Процессы их ”ваяния” реально отличается в плане движущих механизмов. Наши шпили формируются потоками, которые, как мне кажется, не играют большой роли в формировании “снегов кающихся””.

Конечно, исследователи из Нью-Йоркского университета получили свои результаты в идеальных условиях – но это было сделано намеренно, как утверждают авторы работы, чтобы чётче выявить и охарактеризовать процесс заострения, лежащий в его основе механизм и математическую структуру. В итоге, “исследование раскрывает минимальный набор ингредиентов, необходимый для появления игольчатой формации”, пишут авторы. В будущем они надеются провести больше испытаний этого процесса в разных условиях окружающей среды в лаборатории – к примеру, узнать, как на влияние колонн влияют осадки, сильные потоки или погребение под осадочными породами.

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

 256 total views,  2 views today