Някои от най-смайващите структурни подвизи не са изградени от архитекти или изваяни от художници. От каньона Брайс до планините на пясъчниците на Елба в централна Европа, арките от пясъчник, алкохоли и стълбове по цялото земно кълбо изглеждат поразително подобни на същите характеристики в човешката архитектура. И така, как го прави природата?
Свързано съдържание
- Какви са всички начини, по които земята може да изчезне под краката ви?
Изследване, публикувано вчера в Nature Geosciences, предполага, че цикълът на обратна връзка от стреса и ерозията може да стои зад тези естествени чудеса.
Според екип от изследователи от Чешката република, ерозията постепенно премахва пясъчните зърна, поставяйки тежестта на скалата върху останалите зърна и ги кара да се блокират по-плътно. Тъй като зърната се изтеглят от скалата, теглото се измества неравномерно, а зърната в области, които носят по-голяма тежест или гравитационен стрес, е по-трудно да се еродират - оставяйки зад арките, нишите и стълбовете, за които хората да могат да се възхищават.
Учените за първи път започнаха да описват и класифицират тези природни архитектурни особености преди повече от 150 години, но дори теориите на съвременните учени за това как се образуват арки и колони на пясъчник, се различават доста. Например някои геолози приписват арки на платото в Колорадо подкопаване на основата на скалата, докато други смятат, че фрактурите в скалата са ги произвели.
По подобен начин някои учени твърдят, че ерозията е издълбала пещерни стълбове във венецуелските пещери, докато други посочват, че ерозията отмива всичко, освен зърната, които се циментират заедно, след като са накиснати в пръсти от течност, проникнала в меките скали. Повечето обяснения се основават на полеви наблюдения и проучвания на скални проби под микроскоп, а теориите варират от една местност до друга. Никой не беше създал основен механизъм, който по принцип отговаря на всеки сценарий.
Деликатна арка, гледана отзад по залез, Национален парк Arches, Юта, САЩ. (Снимка: Майкъл Атман) 
Double O Arch преди буря в Дяволската градина, Национален парк Arches, Юта, САЩ. (Снимка: Майкъл Атман) 
Арка Pravcicka Brana, емблематичен пример за архитектура на пясъчници в националния парк на Чехия Швейцария, Чехия. (Снимка: Вацлав Сойка) 
Деликатна арка, Национален парк Arches, Юта, САЩ. (Снимка: Ярослав Сукуп) 
Пещерни стълбове в Cueva Colibri от пещерната система на Чарлз Брюер във Венецуела. (Снимка: Libor Lanik) Чешкият отбор искаше да предприеме различен подход. Докато правеха теренни работи в кариерата на Стрелец в бохемския меден басейн, те забелязаха, че малки арки и стълбове - най-много около 2 фута - са се образували от пясъчника за само месеци или години, а не от хилядолетните мащаби, свързани с голяма геоложка архитектура,
„Беше ясно, че процесите, отговорни за тях, функционират в момента в кариерата и по този начин процесите могат да бъдат потенциално изолирани и обяснени“, казва Джири Брутънс, геолог от Карловия университет в Прага и съавтор на изследването.
Защо да не се опитаме да направим тези форми в лабораторията? Брутънс и неговите колеги започнаха с наблюдение как пясъчникът се държи под стрес. Те нарязаха кубчета пясъчник от кариерата Стрелец, потопиха ги във вода и приложиха вертикална сила към върха на куба, за да симулират стреса, който зърна пясък в камъка усещат от скали над тях.
Без вертикално напрежение, кубчетата постепенно се разпадат на отделни зърна. За разлика от това, при увеличаване на вертикалното напрежение, кубът прогресивно се разпилява до стълб с форма на часовници. Вижте сами във видеото, създадено от авторите, за да допълвате своите документи:
Критично е, че пясъчникът от Strelec не съдържа циментиращи минерали, които помагат за свързването на пясъчните частици заедно. Вместо това авторите откриха, че напрежението, поставено върху пясъчника, причинява минералите да се блокират и задържат скалата заедно.
Чешкият екип излезе с механизъм за обяснение на образуването на стълбовете, а численото моделиране потвърди техните подозрения. По принцип натоварването в блока с пясъчник се пренася неравномерно, като някои зърна от пясъчник носят по-голяма тежест от други. Водата може лесно да проникне в порите на скалата - пространството между зърната и да ерозира парчета пясък, но зърната, които носят повече от товара, са по-трудни за извличане.
Мислете за това като за суха тухлена стена. „Лесно е да извадите тухла от горната част на стената, но трудно да издърпате тухла от дъното, когато е заредена“, казва Брутънс. Тъй като водата издърпва пясъчните зърна, все по-малко и по-малко зърна пренасят повече от натоварването, а напрежението между зърната се увеличава, свързвайки ги по-плътно заедно и ги прави по-устойчиви на ерозия.
Някои пясъчници обаче съдържат циментиращи агенти. И така, изследователите взеха проби от циментиран пясъчник от Чехия, Венецуела и САЩ. Излагането на тези циментирани кубчета на сол и замръзване също доведе до получаване на стълбове на часовниковите стъкла при претегляне, а разтоварените кубчета се разпадат четири пъти по-бързо. Циментиращите материали се разтварят с ерозия и така циментираните кубчета са подложени на същите сили на напрежение при игра в нецентрирани кубчета.
Очевидно ерозията може да дойде и под различни форми. Така изследователите симулираха валежите и течащата вода в лабораторията, за да видят дали това може да има различен ефект. Във всички случаи натоварените кубчета бяха по-устойчиви на ерозия в сравнение с ненатоварените кубчета, което показва, че основният фактор е стресът.
Изследователите създадоха "подобен на арка скален прозорец", като свързват пясъчник с пластмасов цилиндър и изрязват изкуствени "фрактури" в скалата. Потапянето във вода предизвика бързо оформяне в относително стабилна форма на пръстен. (Снимки: Michal Filppi) Отвъд стълбовете, изследователите също се опитаха да направят арки и ниши в лабораторията. Те открили, че формата, която скалата образува, зависи от геометрията на първоначалната експозиция на пясъчник. Кубчета с малки, централни хоризонтални пукнатини произвеждат арки. Частични хоризонтални разрези на кубчета произвеждат ниши. А вертикалните пукнатини изглежда помагат да се направят вертикални колони или стълбове. Също така, различните ерозионни процеси могат да дадат една и съща форма, ако започнат с подобни скали.
В лабораторията беше създадена свободностояща арка чрез частично потапяне на натоварен блок от пясъчник с малък отвор в близост до основата. С времето отворът се разшири и проникна в блока от пясъчник, създавайки арка. (Снимка: Marek Janáč, Vesmir.cz) Като се има предвид това, авторите призовават за по-нюансирано обяснение за това как се образуват арки и стълбове в пясъчник. „Не трябва да казваме, че ерозията или атмосферните влияния са издълбали формите, тъй като именно стресовото поле дава формата на формата. Ерозионните процеси са просто инструменти, контролирани от стреса “, обяснява Брутънс.
Че толкова прост механизъм може да създаде толкова красиви структури, контрастира на човешкия ни възглед за онова, което влиза в изкуството или архитектурата, което е естетически приятно. „За да създадете перфектни форми, нямате нужда от интелигентност или планиране“, казва Брутънс. Всъщност „обратното е вярно за природата. Най-съвършените неща са направени чрез прости механизми. "
