Глубоко в пещерах вода, капающая с потолка, создаёт одно из самых необычных природных образований — сталагмиты. Эти кальцитовые столбы высотой от нескольких сантиметров до многих метров поднимаются со дна пещеры по мере того, как капля за каплей богатая минералами вода откладывает крошечный слой камня. Помимо своей красоты, за которую их прозвали «минаретами» или «свадебными тортами», сталагмиты также являются естественными архивами, в слоях которых, подобно годичным кольцам деревьев, запечатлены древние климатические изменения.
Но что определяет форму сталагмита? Почему одни из них растут в форме тонких конусов, другие — в виде массивных колонн, а третьи — в виде причудливых форм с плоской вершиной? Новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, представляет собой первое полное математическое описание форм сталагмитов, сообщает EurekAlert!.
Команде учёных удалось аналитически решить математическую модель роста сталагмитов, созданную 60 лет назад. Эта модель предсказывает, как будет расти «идеальный» сталагмит, если условия в пещере остаются неизменными. Математическое решение раскрывает один из скрытых механизмов природы: сталагмиты вырастают в виде пьедесталов с плоской вершиной, классических колонн или заострённых конусов не случайно, а в соответствии с единственным контролирующим фактором — числом Дамкелера, которое представляет собой баланс между скоростью осаждения кальцита и потоком воды. Если капли падают концентрированно и равномерно, образуется столбчатая форма, а если капли падают хаотично, то верхушка становится плоской. Если скорость потока высокая или если вода капает прямо на сталагмит с потолка пещеры, то он может приобрести коническую форму с острой верхушкой.
«Оказывается, богатое разнообразие форм сталагмитов можно объяснить одним простым параметром, — говорит ведущий автор исследования Пётр Шимчак из Варшавского университета. — Это редкий случай, когда красота, которую мы видим в природе, напрямую соответствует чистому математическому закону».
Чтобы проверить теорию, учёные использовали рентгеновскую томографию для исследования сталагмитов в знаменитой Постойнской пещере в Словении. Сканирование с поразительной точностью подтвердило предсказанные формы. Уравнения позволили выявить даже мельчайшие детали, такие как переход от плоской вершины к столбчатому телу.
«Когда мы сравнили аналитические решения с реальными образцами из пещеры, совпадение оказалось поразительным, — добавляет Матей Липар из Исследовательского центра Словенской академии наук и искусств. — Это показывает, что даже в естественных, хаотичных условиях сохраняется базовая геометрия».
Исследование также показало, что форма имеет значение для науки о климате. Сталагмиты широко используются для восстановления данных об осадках и температуре по едва заметным изменениям в химических характеристиках изотопов углерода, содержащихся в каменных слоях. Это похоже на чтение дневника, написанного древней дождевой водой. Новая модель показывает, что сталагмиты с плоской вершиной фиксируют изотопные сигналы иначе, чем столбчатые или конические. Это открытие поможет в интерпретации данных о палеоклимате.
Так что в следующий раз, когда вы окажетесь перед сталагмитом — будь то в польской пещере Рай, в Мамонтовой пещере в Кентукки или в пещере Постойна в Словении, — вы увидите нечто большее, чем причудливое скальное образование. Сталагмиты — это не просто каменные диковинки, это природные лаборатории, где встречаются физика, химия и геология, а теперь, благодаря математике, их формы можно расшифровать, как код, который на протяжении тысячелетий писала капающая вода.
[Фото: Piotr Szymczak / University of Warsaw]