Вот почему геометрические узоры на солончаках по всему миру так похожи

Солончаки по всему миру, такие как бассейн Бэдуотер в Долине Смерти, Калифорния, образуют многоугольники одинакового размера.

Руди Салган/The Image Bank/Getty Images Plus

Мэтью Р. Фрэнсис

5 апреля 2023 г., 7:00

От Долины Смерти до Чили и Ирана по всему миру образуются соляные полигоны одинакового размера, и подземные потоки жидкости могут стать ключом к решению давней загадки того, почему.

Геометрические формы, такие как пятиугольники и шестиугольники, спонтанно образуются в самых разных геологических условиях. Засохшая грязь, лед и камни часто раскалываются на многоугольники, но эти узоры имеют тенденцию сильно различаться по размеру.

Так почему же все игры так похожи? Ответ находится под землей, как предполагают 24 февраля в Physical Review X физик Яна Лассер и ее коллеги. С помощью сложных математических моделей, компьютерного моделирования и экспериментов, проведенных на озере Оуэнс в Калифорнии, команда связала то, что они видели на поверхности, с тем, что происходит под ней.

«Потоки жидкости и подземная конвекция способны объяснить, почему формируются эти закономерности», — говорит Лассер из Технологического университета Граца в Австрии.

Этот трехмерный подход стал ключом к объяснению универсальности соленых полигонов.

Солончаки образуются в местах, где мало осадков и много испарений (SN: 5.12.07). Грунтовые воды, просачивающиеся на поверхность, испаряются, оставляя корку солей и других минералов, растворенных в воде. Самое поразительное то, что в результате этого процесса образуются низкие гряды концентрированной соли, которые делят плайю на многоугольники: в основном шестиугольники с небольшим количеством пятиугольников и других геометрических фигур.

Тип соли варьируется от одного пляжа к другому. В некоторых пляжах преобладает поваренная соль, или хлорид натрия, но в других больше сульфитных солей. А сами соляные корки имеют толщину от нескольких миллиметров до нескольких метров. Похоже, именно из-за этой вариации предыдущие попытки описать модели плейас потерпели неудачу.

Независимо от того, имеют ли корки толщину в метр или миллиметр, соляные котловины представляют собой многоугольники шириной от 1 до 2 метров. Предыдущие модели, основанные на растрескивании, расширении и других явлениях, описывали, как разрушение грязи и горных пород вместо этого приводит к образованию многоугольников, размеры которых варьируются в зависимости от толщины коры.

По мере того как грунтовые воды испаряются с поверхности, они концентрируют соли в оставшихся грунтовых водах. Эта соленая вода, теперь более плотная и тяжелая, опускается, вытесняя другую, менее плотную воду вверх. Лассер и его коллеги показали, что со временем циркуляция, известная как конвекция, имеет тенденцию сталкивать нисходящие шлейфы более соленой воды в сеть вертикальных слоев. Поверхность над этими слоями накапливает больше соли, поэтому там растут толстые соляные гряды. Между ними образуются более тонкие соляные корки, где менее соленая вода поднимается вверх, спонтанно образуя характерные многоугольники, характерные для пляжей по всему миру.

Уравнения, которые использовали исследователи, описывают относительную соленость грунтовых вод, давление внутри жидкости и скорость, с которой вода циркулирует. Компьютерное моделирование, охватывающее всю сложность трехмерной задачи, началось без соляной корки и многоугольников и привело к созданию чего-то очень похожего на настоящие пляжи.

«Эта гидродинамическая модель имеет гораздо больше смысла, чем модель, которая игнорирует то, что происходит под поверхностью», — говорит физик Джулиан Картрайт из Испанского национального исследовательского совета, который базируется в Гранаде и не участвовал в исследовании.

Испытания на озере Оуэнс помогли команде проверить и усовершенствовать модель. «Физика — это гораздо больше, чем просто сидение перед компьютером», — говорит Лассер, — «и я хотел заняться чем-то, что связано с экспериментами».

Озеро высохло в 1920-х годах, когда воду направили в Лос-Анджелес. Минералы, отложенные на оставшейся соляной равнине, содержат большие естественные концентрации мышьяка, который уносится ветром с пылью, создавая серьезную опасность для здоровья. Помимо других мер по восстановлению, на дно озера закачивали рассол, чтобы попытаться создать более устойчивую соляную корку (SN: 28.11.01). Это человеческое вмешательство дало исследователям возможность контролируемо проверить свои идеи.