Hvordan isnåle væver mønstre af sten i frosne landskaber

Naturen er fuld af gentagende mønstre, der er en del af skønheden i vores verden. Et internationalt hold, herunder en forsker fra University of Washington, brugte moderne værktøjer til at forklare gentagne mønstre af sten, der dannes i kolde landskaber.

Den nye undersøgelse, offentliggjort 5. oktober i Procedurer fra National Academy of Sciences , bruger eksperimentelle værktøjer til at vise, hvordan isnåle, der vokser tilfældigt på frossen grund, gradvist kan flytte sten til regelmæssig, gentagende mønstre. Holdet, hovedsagelig baseret i Kina og Japan, bruger en kombination af nye eksperimenter og computermodellering til at beskrive disse slående træk med ny teoretisk indsigt.

"Tilstedeværelsen af ​​disse fantastiske mønstre, der udvikler sig uden indgriben fra mennesker, er temmelig slående i naturen, "sagde medforfatter Bernard Hallet, en UW -professor emeritus i jord- og rumvidenskab og medlem af Quaternary Research Center. "Det er som en japansk have, men hvor er gartneren? "

Hallet har specialiseret sig i at studere de mønstre, der dannes i polarområder, højbjerge og andre kolde miljøer. En af årsagerne til mønstrene er nåleis. Når temperaturen falder, fugtigheden i jorden vokser til pigge af iskrystaller, der stikker ud af jorden.

"Når du går ud i baghaven efter en iskold nat, og du føler dig lidt knasende under foden, du går sandsynligvis på nåleis, "Sagde Hallet.

Når nåleis dannes, har den en tendens til at skubbe jordpartikler op, og hvis der er nogen, små sten. Der kan dannes mere nåleis på pletter af bar jord i forhold til klippedækkede områder, Sagde Hallet. Isnåle vil lidt fortrænge eventuelle resterende sten i barerområdet. Over år, stenene begynder at klynge sig i grupper, efterlader de bare pletter i det væsentlige stenfrie.

"Den slags selektiv vækst involverer interessante tilbagemeldinger mellem stenens størrelse, fugt i jorden og væksten af ​​isnåle, "Sagde Hallet.

Hallet havde tidligere gennemgået et andet videnskabeligt papir af første forfatter Anyuan Li, tidligere på Shaoxing University og nu på University of Tsukuba i Japan. De to indledte et samarbejde, der blander Hallets mangeårige ekspertise, der undersøger naturmønstre, med Li og hans samarbejdspartneres baggrund inden for eksperimentel videnskab og computermodellering.

Seniorforfatter Quan-Xing Liu ved East China Normal University bruger feltarbejde og laboratorieforsøg til at forstå selvorganiserede mønstre i naturen. Til denne undersøgelse, den eksperimentelle opsætning var en flad firkant af våd jord lidt over 1 fod på hver side (0,4 meter), der begyndte med sten fordelt ensartet på overfladen. Forskerne kørte eksperimentet gennem 30 fryse-tø-cykler. Ved slutningen af ​​den tid, almindelige mønstre var begyndt at dukke op.

"Videoerne er ret slående, og de viser, at isen bare kommer op, og i en enkelt cyklus skubber den sten op og flytter dem lidt til siden, "Sagde Hallet." På grund af disse eksperimenter og de involverede individers evner til at analysere disse resultater, vi har meget mere håndgribeligt, kvantitative beskrivelser af disse funktioner. "

Yderligere eksperimenter så på, hvordan mønsteret ændrede sig afhængigt af koncentrationen af ​​sten, jordens hældning, og højden af ​​isnåle, som også påvirkes af stenkoncentrationen. Baseret på disse resultater, forfatterne skrev en computermodel, der forudsiger, hvilke mønstre der vil vises afhængigt af koncentrationen af ​​sten på den frostudsatte overflade.

Andre medforfattere til det nye studie er Norikazu Matsuoka ved University of Tsukuba; Fujun Niu ved South China University of Technology; Jing Chen og Wensi Hu ved East China Normal University; Desheng Li ved Shanghai Jiao Tong University i Kina; Johan van de Koppel ved University of Groningen i Holland; og Nigel Goldenfeld ved University of California, San Diego.