Речной, океанский или ветровой перенос округляет камни одинаково

Молочная гладкость морского стекла свидетельствует о бурной истории переноса, в ходе которой острые края стираются, образуя округлые формы. Такие же гладкие черты можно наблюдать у речной гальки и дюнных песков.

Комбинируя математические модели с лабораторными экспериментами и полевыми измерениями из реки, океана и поля дюн, группа под руководством геофизика из Пенсильванского университета Дугласа Дж. Джеролмака обнаружила, что одни и те же общие процессы управляют округлением этих разнообразных типов частиц. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

«Мы показываем, что песок, переносимый ветром, речная галька и галька, обработанная волнами, — все округляются одинаковым образом при столкновениях, — говорит Джеролмак. — И, что более важно, мы показываем, как природа выбирает условия, ведущие к этому универсальному поведению».

Математические модели, объясняющие универсальность этой эволюции, были созданы в последние десятилетия в ходе попыток доказать гипотезу Пуанкаре — крупный прорыв в чистой математике. Оказалось, что те же самые уравнения имеют второе, не менее интересное толкование как модели эволюции природных форм.

Разработка этой общей теории о том, как частицы округляются, может помочь учёным восстановить историю других частиц. Именно такую стратегию Джеролмак и коллеги использовали для реконструкции истории переноса гальки на Марсе в статье 2015 года в Nature Communications, которая подтвердила вероятность существования жидкой воды на этой планете.

Работа также может позволить исследователям отслеживать частицы осадка, откалывающиеся от более крупных частиц. Эти мелкие, но значимые зёрна формируют водно-болотные угодья, поймы и пляжи, влияя на всё — от устойчивости к ураганам до продуктивности сельского хозяйства.

В новом исследовании команда, включавшая математика Габора Домокоша из Будапештского университета технологии и экономики, показала, как простая геометрия предсказывает общую эволюцию формы для большинства осадков — будь то песчинки, переносимые ветром, известняковые блоки, сталкивающиеся во вращающемся барабане в лаборатории, или галька, перемещаемая океанскими волнами.

Используя наборы данных из дюн Уайт-Сэндс в Нью-Мексико, речного русла в Пуэрто-Рико, пляжа в Италии и лаборатории Домокоша, исследователи показали, что их предпосылка верна: столкновения с другими частицами вызывали округление всех этих частиц идентичным образом.

Сходство возникает из-за ограничений, общих для частиц, перемещающихся вдоль ложа — будь то река, дюна или океан. Эти частицы, как обнаружили исследователи, обычно имеют удлинённую форму, сталкиваются с частицами схожего размера и делают это с силой, которая способствует откалыванию мелких фрагментов осадка, в отличие от более сильных воздействий, способных расколоть частицу на крупные куски, или слабых сил, которые стирали бы поверхность, как наждачная бумага.

Имея теперь это общее правило, исследователи получили математический инструментарий для реконструкции истории переноса любой частицы осадка на основе её формы, что улучшает их способность прогнозировать эволюцию ландшафта с течением времени.