整齊的圓環(huán)、條紋和漩渦點(diǎn)綴著許多寒冷的巖石景觀。雖然這些美麗的石紋看起來(lái)像是人造藝術(shù)品，但它們都是天然的?？茖W(xué)家們?cè)缇椭肋@種巖石圖案是由冷凍和融化造成的。但它們究竟是如何發(fā)展的一直是個(gè)謎——直到現(xiàn)在。
日本筑波大學(xué)的AnyuanLi及其同事在10月5日的美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊上報(bào)告說(shuō)，新的實(shí)驗(yàn)表明所謂的“冰針”可以將巖石分類(lèi)和組織成多種模式。
“[我們的]實(shí)驗(yàn)的美妙之處在于，你實(shí)際上可以看到關(guān)于圖案如何形成的直接信息，”西雅圖華盛頓大學(xué)的BernardHallet說(shuō)，他研究了世界各地地表巖石的自然圖案。
研究人員將鵝卵石鋪在裝有潮濕細(xì)粒土壤的平底鍋上，然后一遍又一遍地凍結(jié)和解凍這個(gè)迷你景觀。當(dāng)潮濕的土壤還沒(méi)有結(jié)冰但氣溫降到冰點(diǎn)以下時(shí)，細(xì)小的針狀冰柱從土壤中冒出來(lái)。這些冰針，每根都有幾厘米高，可以舉起上面的任何石頭。當(dāng)溫度再次升高時(shí)，冰崩塌，石頭滾落。因?yàn)楸樤谏L(zhǎng)時(shí)會(huì)彎曲，所以石頭往往會(huì)從冰冷的基座上掉到一邊。
經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)，冰針清除了裸露的土壤。由于在路上巖石較少的地方更容易形成針頭，因此它們可以更有效地清除任何剩余的鵝卵石。石頭逐漸在無(wú)石頭區(qū)域之間洗牌成簇，形成更大的圖案。研究合著者、上海華東師范大學(xué)理論生態(tài)學(xué)家劉全興說(shuō)，建立在景觀之上的模式“在很大程度上取決于其[當(dāng)?shù)厥^]濃度”。
在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)“能夠在30次冷凍循環(huán)后獲得模式，”Hallet說(shuō)。這可能相當(dāng)于30個(gè)寒冷的夜晚——或者30年，如果每次結(jié)冰都持續(xù)整個(gè)冬天的話。Hallet說(shuō)，在現(xiàn)實(shí)世界中，某些模式可能需要“數(shù)千年，甚至數(shù)萬(wàn)年才能形成。”
研究人員利用土壤實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果，建立了冰針景觀的計(jì)算機(jī)模擬。該模擬可以預(yù)測(cè)石塊在各種條件下在開(kāi)放環(huán)境中的移動(dòng)。模擬證實(shí)，圖案形成的速度取決于石材覆蓋層的密度等因素。圖案的形狀和形成率還與土壤的濕度、地面的傾斜度以及冰針的生長(zhǎng)高度有關(guān)。
隨著實(shí)驗(yàn)室制作的微型景觀經(jīng)歷多次凍融循環(huán)，冰針形成并坍塌，逐漸將石頭打亂成一束，形成更大的圖案。
“我們?cè)诓煌南到y(tǒng)中看到相同的模式，例如流體，”哈萊特談到巖層時(shí)說(shuō)。具有不同特性或尺寸的材料通常一開(kāi)始就全部混合在一起，但不會(huì)保持這種狀態(tài)(SN：4/22/21)。相分離是將這些混合物轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｊ降倪^(guò)程。這項(xiàng)新研究是首批展示相分離如何應(yīng)用于景觀的研究之一。
未參與這項(xiàng)工作的紐約羅徹斯特大學(xué)地質(zhì)學(xué)家RachelGlade說(shuō)，這項(xiàng)研究中實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)建模的結(jié)合提供了一種新方法來(lái)聯(lián)系自然景觀的形成方式及其材料的行為方式。她補(bǔ)充說(shuō)，這種方法“對(duì)于我們理解復(fù)雜材料至關(guān)重要”，它可以幫助我們了解地貌如何在氣候變化中以不同方式演變。
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