В реке, океане или пустыне — форма камней везде одинакова

Объединение математических моделей с лабораторными экспериментами и полевыми измерениями с речного, океанского и дюнных полей, позволило команде ученых во главе с геофизиком Университета Пенсильвании Дугласом Джерольмаком обнаружить, что одни и те же общие процессы определяют округление этих разнообразных типов камней. Они сообщили о своих выводах в журнале Science Advances.

«Мы показываем, что песок, речная галька и морские камешки одинаковы из-за постоянного сталкивания, — говорит Джерольмак. «И, что более важно, мы показываем, как природа выбирает условия, которые приводят к такому универсальному поведению».

Математические модели, объясняющие универсальность такой эволюции, были созданы в последние десятилетия, в попытке доказать гипотезу Пуанкаре. Оказывается, что те же самые уравнения имеют вторую, не менее интересную интерпретацию как модели эволюции естественной формы.

Развивая общность в отношении того, как частицы могут помочь ученым собрать вместе историю других частиц, Джерольмак и его коллеги использовали ее для реконструкции истории переноса гальки на Марсе в статье Nature Nature Communications, которая подтвердила вероятность наличия жидкой воды на этой планете.

Работа также может позволить исследователям отслеживать фрагменты осадка, которые отделяются от крупных частиц. Маленькие, но могущественные, эти камни создают берега, поймы и пляжи, и влияют на все, начиная от устойчивости к ураганам до производительности сельского хозяйства.

Исследовательская группа, в которую вошли Габор Домокос, математик из Будапештского университета технологии и экономики, и Тимеа Новак-Сабо, докторант-исследователь, уже ранее размышляли о том, как речные камни округлились. В более ранних исследованиях они показали, что эти частицы сначала становятся гладкими, когда они отскакивают вниз по руслу реки, и их острые углы отрываются, а затем становятся меньше, поскольку они продолжают сталкиваться с другими частицами.

В новой работе они показывают, как простая геометрия предсказывает общую эволюцию формы для большинства осадков, будь то песчинки, поднятые ветром, блоки известняка, сталкивающиеся во вращающемся барабане в лаборатории или галька,  которая подверглась воздействию океанских волн.

Используя наборы данных из дюн белого песка в Нью-Мексико, русла реки Пуэрто-Рико, итальянского пляжа и лабораторию Домокоса, исследователи показали, что их предпосылка оказалась верной: столкновение с другими частицами приводило к тому, что все эти частицы округлялись одинаково.

Сходства возникают из-за ограничений при движении частиц в любых средах. Эти частицы, как выяснили исследователи, имеют тенденцию возникать как удлиненные формы, сталкиваются с частицами одинакового размера и делают это с таким уровнем силы, который способствует отбиванию мелких фрагментов, в отличие от более крупных сил, которые могут фрагментировать только большие камни или более слабых сил, которые будут шлифовать поверхность камней, как наждачной бумагой.

В соответствии с этим общим правилом в настоящее время у исследователей есть математические инструменты, необходимые им для восстановления истории переноса любой частицы осадка, основанной на его форме, улучшая их способность прогнозировать эволюцию ландшафта с течением времени.

Больше информации: «Universal characteristics of particle shape evolution by bed-load chipping» Science Advances (2018). advances.sciencemag.org/content/4/3/eaao4946