Комбинируя математические модели с лабораторными экспериментами и полевыми измерениями из реки, океана и дюн, команда под руководством геофизика из Пенсильванского университета Дугласа Дж. Джеролмака обнаружила, что одни и те же общие процессы определяют округление этих различных типов частиц.
Они сообщили о своих выводах в журнале Science Advances.«Мы показываем, что переносимый ветром песок, речная галька и галька, обработанная волнами, повсюду одинаково, сталкиваясь», — говорит Джеролмак. «И, что более важно, мы показываем, как природа выбирает условия, которые приводят к такому универсальному поведению».Математические модели, объясняющие универсальность этой эволюции, были созданы в последние десятилетия в попытке доказать гипотезу Пуанкаре — крупный прорыв в чистой математике.
Оказывается, те же самые уравнения имеют вторую, не менее интересную интерпретацию как модели эволюции естественной формы.Развивая эту общую идею о том, как круглые частицы могут помочь ученым собрать воедино историю других частиц, Джеролмак и его коллеги использовали стратегию для восстановления истории переноса гальки на Марсе в статье Nature Communications 2015 года, в которой подтверждается вероятность наличия жидкой воды на этой планете.Эта работа также может позволить исследователям отслеживать частицы осадка, которые отщепляют более крупные частицы. Маленькие, но мощные, эти зерна образуют водно-болотные угодья, поймы и пляжи, влияя на все, от устойчивости к ураганам до продуктивности сельского хозяйства.
Исследовательская группа, в которую входили Габор Домокос, математик из Будапештского технологического и экономического университета, и Тимея Новак-Сабо, научный сотрудник, который проводил время в лабораториях Джеролмака и Домокоса, ранее размышляли о том, как округляются скалы реки. В более ранних исследованиях они показали, что эти частицы сначала становятся гладкими, когда они отскакивают от русла реки, их острые углы отщепляются, а затем становятся меньше, поскольку они продолжают сталкиваться с другими частицами.В новой работе они показывают, как простая геометрия предсказывает эволюцию общей формы большинства отложений, будь то песчинки, уносимые ветром, блоки известняка, сталкивающиеся во вращающемся барабане в лаборатории, или галька, сбиваемая океанскими волнами.
Используя наборы данных с дюн Белых песков в Нью-Мексико, русла реки Пуэрто-Рико, итальянского пляжа и лаборатории Домокоса, исследователи показали, что их предположение верно: столкновения с другими частицами заставляли все эти частицы вращаться одинаково.Сходства возникают из-за ограничений, которые разделяют частицы, движущиеся по дну — будь то река, дюна или океан. Эти частицы, как выяснили исследователи, имеют тенденцию иметь продолговатую форму, сталкиваются с частицами аналогичного размера и делают это с таким уровнем силы, который способствует отколу небольших фрагментов осадка, в отличие от более крупных сил, которые могут вызвать частицы. дробление на большие куски или слабые силы, которые истирают поверхность, как наждачная бумага.Теперь, когда это общее правило действует, у исследователей есть математические инструменты, необходимые для восстановления истории переноса любой частицы осадка на основе ее формы, что улучшает их способность предсказывать эволюцию ландшафта с течением времени.
Работа была поддержана стипендией Корани, венгерской ОТКА (грант 119245) и Обсерваторией критической зоны Лукильо Национального научного фонда (грант EAR-1331841).