Сдвигающиеся пески, ползущие почвы и новое понимание эволюции ландшафта

Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, показало, что кучи песчаных зёрен находятся в постоянном движении даже в состоянии покоя. Используя высокочувствительные данные оптической интерферометрии, учёные из Пенсильванского университета и Университета Вандербильта представили результаты, бросающие вызов существующим теориям в геологии и физике о поведении почв и других неупорядоченных материалов.

Большинство людей замечают движение почвы на склонах лишь тогда, когда она внезапно теряет жёсткость — явление, известное как предел текучести (yield). Господствующая модель рассматривает это разрушение как трещину. Однако это проблематично, поскольку материал моделируется по механическому критерию твёрдого тела в момент, когда он становится жидкостью. Такая модель подразумевает, что ниже предела текучести почва — твёрдое тело и не должна течь, но на самом деле она медленно и постоянно «ползёт» в процессе, известном как крип (creep). Общепринятое геологическое объяснение связывает это с физическими или биологическими нарушениями, такими как циклы замерзания-оттаивания или деятельность животных. В этом исследовании учёные решили напрямую наблюдать за отдельными песчинками в состоянии покоя, которые, согласно теориям, должны быть полностью неподвижны.

Для этого был проведён эксперимент: кучи песка в плексигласовых боксах поместили на виброизолирующий стол и наблюдали за ними с помощью метода лазерного рассеяния света — диффузионной волновой спектроскопии, чувствительной к мельчайшим движениям частиц. Исследователи обнаружили, что, вопреки интуиции и теориям, ненарушенные песчаные кучи находятся в постоянном движении и ведут себя подобно стеклу. «Всеми доступными нам способами измерений песок релаксирует, как остывающее стекло», — отмечает ведущий автор работы, аспирант Накул С. Дешпанде. В физике и стекло, и частицы почвы являются примерами «неупорядоченной» системы, но песчинки слишком велики для теплового движения, характерного для молекул стекла. Поэтому считалось, что куча песка должна быть «заблокирована» и неподвижна, что опровергается новыми данными.

Ещё одним неожиданным результатом стало то, что скорость ползучести можно контролировать с помощью типа воздействия. В ненарушенной куче движение частиц со временем замедлялось — процесс, называемый старением. Нагрев песка обращал это старение вспять, увеличивая скорость ползучести до первоначального значения, а лёгкие постукивания, напротив, ускоряли старение. «Мы склонны думать о факторах, которые приближают почву к пределу текучести, например, сотрясения от землетрясения, вызывающего оползень. Но другие нарушения в природе потенциально могут отдалять почву от предела текучести, затрудняя сход оползня», — объясняет руководитель исследования Дуглас Джеролмак.

В ближайшей перспективе исследователи планируют эксперименты с магнитными зондами для моделирования локальных воздействий и анализа полевых данных — от естественной ползучести до катастрофических оползней. Цель — связать лабораторные результаты с полевыми наблюдениями, что потенциально откроет новые способы прогнозирования катастрофических изменений ландшафта. Эта работа может стать точкой отсчёта для пересмотра теорий, основанных на устаревшей парадигме.