Ученые открыли формулу, объясняющую форму сталагмитов

Фото из открытых источников

Форма сталагмитов — восходящих горных пород в пещерах — зависит от условий их образования, и, по словам исследователей, эти формы можно описать одной математической формулой. Результаты исследования были опубликованы в журнале PNAS.

Сталагмиты — это колонны из карбоната кальция, которые образуются на дне пещер в результате стекания на них богатой минералами воды в течение сотен и десятков тысяч лет.

Сталактиты — это образования, растущие вниз от потолка. Когда сталактит соединяется со сталагмитом, образуется сталагнат.

Формы этих образований варьируются от стройных до приземистых, с плоскими, столбчатыми (закругленными, но слегка сплющенными) или коническими (заостренными) вершинами.

«Мы сформулировали теорию, которая показывает условия, при которых образуются сталагмиты определенной формы», — сказал соавтор исследования профессор Пётр Шимчак из Варшавского университета.

Форма не зависит от начальных условий, таких как топография пола пещеры. Вместо этого она определяется несколькими физическими величинами, объединенными в один параметр — число Дамкёлера, которое включает в себя частоту капель воды, капающих на вершину, и расстояние вершины от потолка.

Изменяя этот параметр, исследователи могут воссоздать разнообразие форм, встречающихся в природе.

Шимчак объяснил, что когда капля падает с большой высоты, турбулентный поток воздуха заставляет её каждый раз попадать в немного разные точки, подобно пулям неопытного стрелка, целящегося в мишень.

Падение с высоты также вызывает разбрызгивание, в результате чего вещество разлетается на большую площадь.

«Именно поэтому у молодых, невысоких сталагмитов часто характерная плоская вершина. По мере роста сталагмита капли, падающие на него, проходят более короткий путь и попадают более точно, достигая одной точки, с меньшим разбрызгиванием», — сказал Шимчак. «Затем сталагмит начинает принимать форму колонны или конуса».

«Можно сказать, что мы предоставили геологам шпаргалку по идеальным формам сталагмитов. Благодаря этому, анализируя только форму сталагмита, они смогут реконструировать прошлое изучаемой пещеры и, например, оценить интенсивность капания воды в данном месте», — добавил он.

Команда исходила из предположения о «платоновской идеальности» сталагмита, то есть о том, что со временем он достигает стабильной формы. «Благодаря этому предположению сложные уравнения роста значительно упрощаются, что позволяет нам вывести формулу для идеальной формы сталагмита», — сказал Шимчак.

Сталагмиты также служат естественными климатическими архивами. Исследователи утверждают, что форма сталагмитов влияет на распределение сигналов окружающей среды, что может улучшить интерпретацию климата прошлого.

«Наши исследования показали, что форма сталагмита имеет решающее значение для считывания данных: профили сигналов будут выглядеть по-разному в столбчатом сталагмите и в плоском. Эти знания позволят более точно реконструировать климат», — сказал Шимчак.

Полученные результаты также могут помочь составить карту потоков воды в карстовых породах.

«Как физик, я очарован связью между формой и процессом, который приводит к ее формированию», —заключил он. «Стоит рассматривать таким образом не только сталагмиты, но и дюны, речные излучины и сосульки, пытаясь понять процесс их образования. Это небольшая, но прекрасная философская черта, которая проявляется в науке».