Сталагмиты оказались умнее, чем кажутся: их рост просчитали по одной универсальной схеме

Сталагмиты в пещерах кажутся хаотичными природными образованиями, но за их формой скрывается строгая закономерность. Ученые показали, что разнообразие этих каменных колонн подчиняется одной универсальной математической формуле. Это открытие позволяет "читать" историю пещер буквально по их очертаниям. Результаты исследования опубликованы в журнале PNAS.

Как растут каменные колонны

Сталагмиты формируются на дне пещер из карбоната кальция, который осаждается из капель воды, просачивающейся с потолка. Этот процесс длится сотни и даже десятки тысяч лет. В отличие от сталактитов, растущих вниз, сталагмиты тянутся вверх, а при их соединении образуется сталагнат — сплошная каменная колонна.

В природе можно встретить самые разные формы сталагмитов: высокие и тонкие, приземистые и широкие, с плоскими, слегка закругленными или острыми коническими вершинами.

Долгое время считалось, что такие различия связаны со случайными факторами — неровностями пола пещеры или начальными условиями роста. Однако геологические исследования показывают, что даже во льдах Гренландии нашли новые вирусы благодаря детальному анализу слоёв, а значит, и в пещерах слоистость и форма могут хранить системную информацию.

Одна формула для множества форм

Исследователи предложили теорию, согласно которой форма сталагмита определяется не стартовой поверхностью, а набором физических параметров, объединенных в одно безразмерное число — число Дамкёлера. Оно учитывает частоту падения капель воды и расстояние от вершины сталагмита до потолка пещеры.

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

Изменяя значение этого параметра, ученые смогли воспроизвести практически все формы сталагмитов, наблюдаемые в природе. Это означает, что геометрия роста подчиняется универсальному закону, а не набору случайных обстоятельств. Похожий подход — поиск общих закономерностей в природных структурах — применяется и при изучении того, как лёд остаётся скользким при минус 40, где за кажущейся простотой скрывается точная физика поверхностных процессов.

Почему вершины бывают плоскими и острыми

Механизм формирования формы связан с поведением капель воды. Если капля падает с большой высоты, турбулентные потоки воздуха заставляют ее каждый раз попадать в разные точки. Кроме того, при ударе о поверхность происходит разбрызгивание, и минералы оседают на большей площади.

"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.

Таким образом, по мере роста условия осаждения меняются, и форма постепенно "самоорганизуется", стремясь к устойчивому профилю.

Геологическая "шпаргалка" и климат прошлого

Авторы исходили из предположения о так называемой платоновской идеальности сталагмита — идеи о том, что со временем он стремится к стабильной форме. Это допущение позволило упростить сложные уравнения роста и вывести аналитическую формулу идеального профиля.

"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 Шимчак.

Сталагмиты давно используются как природные архивы климата. Новые результаты показывают, что их форма напрямую влияет на то, как в породе записываются климатические сигналы.

"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.

Кроме того, полученные данные могут помочь лучше картировать подземные потоки воды в карстовых породах. Связь между формой и процессом роста, по словам ученых, имеет универсальный характер и применима не только к сталагмитам, но и к другим природным структурам — от дюн до сосулек.