Cerchi di pietre alle Svalbard, Norvegia. Ogni cerchio misura circa 10 piedi, o 3 metri, attraverso. Una nuova ricerca fornisce informazioni su come queste caratteristiche si formano in rocce, paesaggi soggetti al gelo. Credito:Bernard Hallet/Università di Washington
La natura è piena di schemi ripetitivi che fanno parte della bellezza del nostro mondo. Una squadra internazionale, tra cui un ricercatore dell'Università di Washington, utilizzato strumenti moderni per spiegare modelli ripetuti di pietre che si formano in paesaggi freddi.
Il nuovo studio, pubblicato il 5 ottobre su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , utilizza strumenti sperimentali per mostrare come gli aghi di ghiaccio che crescono casualmente su un terreno ghiacciato possono spostare gradualmente le rocce in regolari, schemi ripetuti. Il gruppo, con sede principalmente in Cina e Giappone, utilizza una combinazione di nuovi esperimenti e modelli al computer per descrivere queste caratteristiche sorprendenti con nuove intuizioni teoriche.
"La presenza di questi fantastici schemi che si sviluppano senza alcun intervento da parte dell'uomo è piuttosto sorprendente in natura, " ha detto il co-autore Bernard Hallet, un professore emerito di Scienze della Terra e dello spazio e membro del Quaternary Research Center. "È come un giardino giapponese, ma dov'è il giardiniere?"
Hallet è specializzato nello studio dei modelli che si formano nelle regioni polari, alta montagna e altri ambienti freddi. Uno dei motivi per i modelli è il ghiaccio ad ago. Quando la temperatura scende, l'umidità contenuta nel terreno si trasforma in punte di cristalli di ghiaccio che sporgono dal terreno.
"Quando esci in giardino dopo una notte gelida e senti un piccolo scricchiolio sotto il piede, probabilmente stai camminando su un ago di ghiaccio, "ha detto Hallet.
Labirinti di pietre alle Svalbard, Norvegia. I motivi a labirinto si formano dove le pietre si trovano su un dolce pendio. Una nuova ricerca fornisce informazioni su come queste caratteristiche si formano in rocce, paesaggi soggetti al gelo. Credito:Bernard Hallet/Università di Washington
Quando si forma il ghiaccio aghiforme, tende a spingere verso l'alto le particelle di terreno, e se ce ne sono, piccole pietre. Più ghiaccio ad ago può formarsi su chiazze di terreno nudo rispetto alle aree coperte di roccia, ha detto Hallet. Gli aghi di ghiaccio sposteranno leggermente eventuali pietre rimanenti nella regione più nuda. Negli anni, le pietre cominciano a raggrupparsi in gruppi, lasciando le zone nude essenzialmente prive di pietre.
"Questo tipo di crescita selettiva comporta feedback interessanti tra la dimensione delle pietre, l'umidità del terreno e la crescita degli aghi di ghiaccio, " disse Hallet.
Hallet aveva precedentemente recensito un altro articolo scientifico del primo autore Anyuan Li, precedentemente alla Shaoxing University e ora all'Università di Tsukuba in Giappone. I due hanno iniziato una collaborazione che mescola l'esperienza di lunga data di Hallet nell'investigare i modelli in natura con il background di Li e dei suoi collaboratori nella scienza sperimentale e nella modellazione al computer.
L'autore senior Quan-Xing Liu della East China Normal University utilizza il lavoro sul campo e gli esperimenti di laboratorio per comprendere i modelli auto-organizzati in natura. Per questo studio, la configurazione sperimentale era un quadrato piatto di terreno umido di poco più di 1 piede per lato (0,4 metri) che iniziava con pietre distanziate uniformemente sulla superficie. I ricercatori hanno eseguito l'esperimento attraverso 30 cicli di congelamento-scongelamento. Entro la fine di quel tempo, cominciarono ad apparire modelli regolari.
Linee alle Hawaii. I ripetuti cicli di gelo-disgelo creano linee quando le pietre si trovano su un terreno in pendenza più ripida. Una nuova ricerca fornisce informazioni su come si formano queste caratteristiche nei paesaggi soggetti al gelo. Credito:Bernard Hallet/Università di Washington
"I video sono piuttosto sorprendenti, e mostrano che il ghiaccio sale appena e in un unico ciclo spinge le pietre e le sposta leggermente di lato, "Ha detto Hallet. "A causa di quegli esperimenti e delle capacità degli individui coinvolti di analizzare quei risultati, abbiamo molto più tangibile, descrizioni quantitative di queste caratteristiche."
Ulteriori esperimenti hanno esaminato come il modello cambiasse a seconda della concentrazione di pietre, la pendenza del terreno, e l'altezza degli aghi di ghiaccio, che è anche influenzato dalla concentrazione di pietra. Sulla base di tali risultati, gli autori hanno scritto un modello al computer che prevede quali modelli appariranno a seconda della concentrazione di pietre sulla superficie soggetta al gelo.
Due diversi modelli informatici prevedono la distribuzione a lungo termine delle pietre sul terreno ghiacciato a seconda della concentrazione iniziale delle pietre. La colonna di sinistra inizia con una copertura in pietra del 20%, che crea isole, mostrato qui in bianco; le file centrali hanno il 30% e il 40% di copertura in pietra, che crea labirinti e forme vermiformi; e la quarta colonna è l'80% di copertura in pietra, che non dà alcuno schema. La colonna di destra mostra una copertura sassosa del 20% su terreno in leggera pendenza; le pietre tendono a formare linee. Credito:Li et al./PNAS
Altri coautori del nuovo studio sono Norikazu Matsuoka dell'Università di Tsukuba; Fujun Niu alla South China University of Technology; Jing Chen e Wensi Hu alla East China Normal University; Desheng Li alla Shanghai Jiao Tong University in Cina; Johan van de Koppel presso l'Università di Groningen nei Paesi Bassi; e Nigel Goldenfeld all'Università della California, San Diego.
