Капля за каплей: исследование впервые дает полное математическое описание форм сталагмитов
Новое исследование ученых из Варшавского университета, Университета Флориды, Исследовательского центра Словенской академии наук и искусств и Университетского медицинского центра Любляны, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, впервые дает полное математическое описание форм сталагмитов. Команде удалось аналитически решить 60-летнюю математическую модель роста сталагмита, которая предсказывает, как растет «идеальный» сталагмит при постоянных условиях в пещере.
Математика раскрывает один из скрытых чертежей природы: сталагмиты вырастают в плосковерхие пьедесталы, классические колонны или заостренные конусы не случайно, а в соответствии с единственным управляющим фактором — числом Дамкелера, которое отражает баланс между скоростью осаждения кальцита и потоком воды. При концентрированном и стабильном капании формируется колоннообразная форма, а при рассеянном капании образуются плоские вершины. При высокой скорости потока или когда вода капает прямо на сталагмит с потолка пещеры, могут возникать конические формы с острыми вершинами.
«Оказывается, богатое разнообразие форм сталагмитов можно объяснить одним простым параметром», — говорит ведущий автор исследования Пётр Шимчак из Варшавского университета. «Это редкий случай, когда красота, которую мы видим в природе, напрямую соответствует ясному математическому закону».
Исследование также показывает, что форма имеет значение для климатологии. Сталагмиты широко используются для реконструкции записей об осадках и температуре по тонким изменениям химических сигнатур изотопов углерода, захваченных в каменных слоях. Новая модель показывает, что плосковерхие сталагмиты записывают эти изотопные сигналы иначе, чем колоннообразные или конические — это открытие может уточнить интерпретацию палеоклиматических записей.
«Сталагмиты — это естественные климатические архивы, но теперь мы видим, что их геометрия оставляет собственный отпечаток на изотопной записи», — объясняет Энтони Лэдд из Университета Флориды. «Осознание этого эффекта позволит нам извлекать более надежную информацию о климатах прошлого».