Облик сталагмитов, этих каменных изваяний, возвышающихся в пещерах, обусловлен условиями их формирования. Группа исследователей под руководством профессора Петра Шимчака из Варшавского университета доказала, что этот облик может быть выражен математически. Это открытие станет ценным инструментом для геологов и климатологов, пишет "Наука в Польше".
Сталагмиты – это колонны из карбоната кальция, которые формируются на полу пещер. Они растут вверх из-за капающей с потолка воды, богатой минералами, на протяжении столетий, тысячелетий или даже десятков тысячелетий.
Напомним, что натечные образования, свисающие с потолка пещер, называются сталактитами. Срастаясь, сталактит и сталагмит образуют колонну. Однако именно сталагмиты дольше всего не поддавались математическому описанию.
Сталагмиты удивляют разнообразием форм: встречаются и тонкие, и массивные экземпляры. Верхняя часть сталагмита может быть плоской, напоминающей стол, цилиндрической (округлой, слегка приплюснутой сверху) или конической (с острым концом).
Идеальные формы сталагмитов: плоские, столбчатые и конические. Источник: Петр Шимчак / "Наука в Польше"
По словам профессора Петра Шимчака, возглавлявшего исследование, опубликованное в журнале PNAS, ученые создали теорию, которая объясняет, при каких условиях формируются сталагмиты той или иной формы.
Анализ показал, что форма сталагмита определяется несколькими физическими величинами, объединенными в число Дамкёлера, и не зависит от начальных условий, таких как рельеф поверхности. К этим величинам относятся частота падения капель воды и расстояние от кончика сталагмита до потолка пещеры. Варьируя значение этого параметра, можно воссоздать различные формы природных сталагмитов.
Профессор Шимчак пояснил, что при падении капли с большой высоты вокруг нее возникает турбулентный воздушный поток, из-за которого вода каждый раз попадает в разные точки. Кроме того, падающая капля разбрызгивается. Оба этих эффекта приводят к тому, что содержащееся в капле вещество оседает на большей площади поверхности. Именно поэтому молодые сталагмиты часто имеют плоские вершины. По мере роста сталагмита падающие капли проходят более короткий путь и попадают точнее, в одну точку, с меньшим разбрызгиванием. В результате сталагмит приобретает форму колонны или конуса.
По мнению профессора Шимчака, предложенный подход позволит геологам, анализируя форму сталагмита, воссоздавать прошлое пещеры и оценивать интенсивность капания воды в данном месте. Форма сталагмита – это дополнительная информация, которая помогает более точно интерпретировать климатические данные, заложенные в слоях и составе сталагмита.
«Как физик, я очарован связью между формой и процессом, ведущим к ее созданию, — отметил профессор Шимчак, добавив, что физические процессы часто стремятся извлечь из материи идеальные формы. — Стоит рассматривать с этой точки зрения не только сталагмиты, но и дюны, извилистые реки или сосульки, пытаясь понять процесс их создания. Это небольшая, но прекрасная философская черта, которая раскрывается в науке».
Изображение на обложке: столбчатые сталагмиты в пещере Лечугилья, Нью-Мексико (США) – источник: Дэйв Баннелл/Under Earth Images (лицензия CC BY-SA 2.5) / "Наука в Польше"
