Рост ледяных игл под камнями заставил собраться его в узор

Физики решили исследовать этот процесс самоорганизации и пришли к выводу, что движущим механизмом этого явления есть ледяные иглы — иней на поверхности. Пока они растут, им удается сдвигать камни с места и так создавать узоры. Как ученые составляли камни в лаборатории и создавали для этого математическую модель, они сообщили в Proceedings of the National Academy of Sciences. Узоры из камней, которые имеют вид набора кругов, лабиринтов и лент встречаются во всех холодных регионах нашей планеты. Их можно встретить на севере Канады, в Норвегии, в Сибири, во многих высокогорных регионах. Эти узоры никем не создавались и имеют естественное происхождение. Достаточно давно была предложена теория, их образования связанная с резкими перепадами температуры, при которых она пересекает точку замерзания воды.

При таких температурах наблюдается образование льда в виде тонких игл. Можно считать это разновидностью инея, но стоит помнить, что в описанных выше местностях длина таких игл может достигать десятки миллиметров. Исследователи из Университета Вашингтона создали модель процесса, описывающей образования узоров из камня в условиях многократного повторения циклов образования и таяния ледяных игл.

На помощь им пришла теория фазовой сепарации. Эта достаточно сложная концепция родилась как следствие моделирования неравновесных термодинамических процессов, при которых наблюдается явление самоорганизации. Эта концепция смогла объяснить, почему при замерзании воды лед имеет неровные края и часто образует длинные «языки». Теперь ее применили к объяснению возникновения лабиринтов из камней.

Основной идеей исследователей стало то, что ледяные иглы при росте перемещают камни вверх и немного в сторону. При этом в процессе наблюдается обратная связь. Длина перемещения камней зависит не от того, насколько далеко они перемещались, но и от размеров, и от того, насколько много камней находится в данной области.

Для проверки этого предположения был осуществлен эксперимент в котором в лабораторной камере на почве рассыпали равномерным слоем камни и начинали в камере последовательные циклы быстрого замораживания и оттаивания. При этом в разных опытах ученые варьировали количество камней, и уклон поверхности, на которой они лежат.

Уже после 10−15 циклов замораживания-оттаивания исследователи увидели образования узоров. Сначала часть камней собиралась, образуя кластеры, затем эти кластеры начинали расти, соединяться между собой и, наконец, образовывали лабиринтообразный узор. Но так происходило только в том случае, когда камней были достаточно много, и поверхность была ровной. Если же в начале эксперимента доля поверхности, покрытой камнями составляла менее 20%, то вместо того, чтобы создавать лабиринты, те кластеры, которые все же образовывались, становились круглыми. Наконец, при наличии достаточно сильного уклона поверхности камни образовывали на ней змеевидные ленты.

Детальный анализ результатов эксперимента раскрыл подробности образования лабиринтов из камней. Действительно, дело в обратной связи концентрации камней и скорости их перемещения. Чем меньше концентрация камней на участке, тем интенсивнее на ней растут ледяные иглы. Соответственно, в тех местах камни перемещаются быстрее, при этом направлены эти перемещения преимущественно в регионы с максимальной концентрацией камней. А дальше в игру вступают законы самоорганизации. Минимальная неравномерность в размещении камней приводит к образованию кластеров, а при большой концентрации ледяные иглы уже не могут разрушить узор, образовавшийся.

Исследования интересно тем, что оно предлагает единый механизм образования для каменных лабиринтов по всей планете и даже за ее пределами. Дело в том, что условия на Марсе очень похожи на земные и там уже обнаружены очень похожие узоры. Исследователи предполагают, что при изменении климатических условий узоры могут разрушаться. Поэтому их целостность может служить индикатором климатических изменений.

Ученые не впервые замораживают камни в своих лабораториях. Так удалось объяснить умение камней «входить в дзэн» — выяснилось, что отвергнутая ими тень останавливает сублимацию льда и так поднимает их на пьедестал.

Фото в анонсе: Каменные кольца в Норвегии. Hallet / University of Washington

Перевод материала nauka.ua