Они обнаруживают «климатический код», спрятанный в сталагмитах

Однако, помимо своей неоспоримой красоты, сталагмиты также являются природными архивами, способными фиксировать древние изменения климата, как это делают годичные кольца.

Но что определяет форму сталагмита? Почему одни превращаются в тонкие конусы, другие в огромные колонны, а третьи принимают причудливые плоские формы? Теперь новое исследование, только что опубликованное в «Известия Национальной академии наук» и проведенная исследователями из университетов Варшавы и Флориды, Исследовательского центра Словенской академии наук и искусств и Университетского медицинского центра в Любляне, только что предоставила первое полное математическое описание формы сталагмитов.

Простой математический закон

Фактически, в ходе своей работы исследователям удалось аналитически решить математическую модель роста сталагмитов, созданную более чем 60 лет назад, которая предсказывает, как растет «идеальный» сталагмит, когда условия в пещере остаются стабильными. Таким образом, благодаря математике, исследователям удалось раскрыть одну из многих скрытых плоскостей природы: сталагмиты становятся пьедесталами с плоскими вершинами, классическими колоннами или заостренными конусами не случайно, а в соответствии с единственным управляющим фактором — числом Дамкелера, которое представляет собой баланс между скоростью осаждения кальцита и потоком воды.

Таким образом, когда капля концентрированная и постоянная, появляется столбчатая форма, а при расширенной капле образуются плоские шапки. А когда скорость потока высока или когда вода капает прямо на сталагмит с потолка пещеры, могут появиться конические формы с заостренными кончиками.

«Оказывается, богатое разнообразие форм сталагмитов, — объясняет Петр Шимчак из Варшавского университета и ведущий автор исследования, — можно объяснить простым параметром. «Это редкий случай, когда естественная красота, которую мы видим, напрямую соответствует чистому математическому закону».

Чтобы проверить свою теорию, Шимчак и его команда использовали рентгеновскую томографию сталагмитов из знаменитой пещеры Постойна в Словении. Сканирование, проведенное в Университетском медицинском центре Любляны, с удивительной точностью совпало с предсказанными формами. Даже самые тонкие детали, такие как переход от плоской вершины к столбчатому телу, были учтены уравнениями.

«При сравнении наших аналитических решений с реальными образцами из пещер, – добавляет Матей Липар, соавтор статьи, – совпадение было примечательным. «Это показывает, что даже в самых явно неупорядоченных природных условиях основная геометрия все еще существует».

Дневник, написанный дождем

Исследование также показывает, что форма сталагмитов важна для науки о климате. На самом деле, сталагмиты широко используются для восстановления записей об осадках и температуре посредством тонких изменений, которые происходят в изотопах углерода, запертых в слоях камня, что похоже на чтение дневника, написанного дождевой водой на протяжении десятков тысяч лет.

Новая модель показывает, что сталагмиты с плоской вершиной записывают эти изотопные сигналы иначе, чем столбчатые или конические сталагмиты, и это открытие может уточнить способ интерпретации палеоклиматических записей.

«Сталагмиты — это естественные климатические архивы», — добавляет соавтор Энтони Лэдд из Университета Флориды, — «но теперь мы видим, что каждая геометрия оставляет свой собственный след в изотопной записи. «Признание этого эффекта позволит нам получить более надежную информацию о климате прошлого».

Итак, в следующий раз, когда мы остановимся, чтобы посмотреть на сталагмит, давайте попробуем увидеть нечто большее, чем просто любопытное скальное образование. Потому что на самом деле мы будем прежде всего естественной лабораторией, где физика встречается с химией и геологией, а теперь и с математикой. И давайте подумаем, что его формы также можно прочитать как секретный код, написанный на протяжении тысячелетий по медленному и непрерывному капанию воды.