Ледяные иглы сплетают узоры из камней в замерзающих пейзажах
Самоорганизация все чаще признается основополагающей для формирования паттернов в геоморфологии. Ученые ввели теорию разделения фаз для изучения образования отсортированного узорчатого грунта в холодных регионах. Понятие «отсортированный» относится к сегрегации почвы и камней из-за обратных связей между концентрацией камней и повторяющимся ростом льда.
Узорчатая почва, определяемая сегрегацией камней в зависимости от их размера, является одной из наиболее поразительно самоорганизующихся характеристик полярных и высокогорных ландшафтов. Наличие таких образов на Марсе было предложено в качестве доказательства прошлого присутствия поверхностной жидкой воды. Несмотря на их повсеместное распространение, нехватка количественных полевых данных о закономерностях и их медленная динамика препятствуют фундаментальному пониманию механизмов формирования таких закономерностей.
Недавно ученым удалось продемонстрировать, что наблюдаемую сортировку и закономерности объясняет разделение фаз. В эксперименте было показано, что перенос камня сильно зависит от местной концентрации камней и высоты ледяных игл, что приводит к эффективному формированию рисунка, обусловленного активностью игольчатого льда. С помощью численного моделирования, теории и экспериментов с использованием оборудования для пробоподготовки ученые показали, что нелинейное усиление длинноволновых неустойчивостей приводит к автомодельной динамике, которая напоминает закономерности разделения фаз в бинарных сплавах, характеризующиеся законами масштабирования и формированием пространственной структуры.
Если вкратце, то изначально рассматривались два ключевых фактора, контролирующих формирование рисунков камней: доля поверхности, покрытой камнями, то есть концентрация камней, и наклон поверхности. Каменные узоры развились из камней, которые ранее были равномерно распределены. В течение первых пяти циклов замораживания и оттаивания образовывались небольшие скопления камней, которые постепенно сливались со смежными. Затем произошло огрубление скоплений камней, и в конечном итоге сгенерировались четко определенные закономерности.
Новое исследование подчеркивает теорию разделения фаз как источник важного понимания закономерностей рельефа в холодных регионах и их потенциальной ценности для сигнализации о важных изменениях в грунтовых условиях с потеплением климата. Также ученые надеются, что результаты могут помочь интерпретировать пространственные структуры, возникающие на различных планетарных ландшафтах, включая рельеф местности, недавно исследованный с помощью марсохода Curiosity на Марсе.
