Некоторые из самых потрясающих конструктивных достижений не построены архитекторами и не созданы скульпторами. От Брайс-Каньона до Эльбских песчаниковых гор в центральной Европе арки из песчаника, ниши и колонны по всему земному шару поразительно похожи на те же особенности, что и в искусственной архитектуре. Итак, как природа это делает?
Связанный контент
- Каковы все пути, по которым земля может исчезнуть у вас под ногами?
Исследование, опубликованное вчера в журнале Nature Geosciences, предполагает, что за этими чудесами природы может стоять цикл обратной связи стресса и эрозии.
По словам группы исследователей из Чешской Республики, эрозия постепенно удаляет песчинки, помещая вес камня на остальную часть зерна и вызывая их более плотное сцепление. По мере того как зерна срываются со скалы, вес перемещается неравномерно, и зерна в областях, которые несут больший вес или гравитационное напряжение, становятся все труднее разрушать, оставляя позади арки, ниши и колонны для людей-туристов, чтобы они могли полюбоваться.
Ученые впервые начали описывать и классифицировать эти природные архитектурные особенности более 150 лет назад, но даже теории современных ученых о том, как образуются арки и колонны из песчаника, несколько отличаются. Например, некоторые геологи приписывают арки на плато Колорадо подрезанию основания скалы, в то время как другие думают, что трещины в скале породили их.
Точно так же некоторые ученые утверждают, что потоки эрозионного резного столба пещеры в венесуэльских пещерах, в то время как другие указывают на эрозию, смывающую все, кроме зерен, которые сцементировались вместе, будучи пропитанными в пальцах жидкости, которые просачивались в мягкие камни. Большинство объяснений основано на полевых наблюдениях и исследованиях образцов горных пород под микроскопом, и теории варьируются от одного региона к другому. Никто не придумал базовый механизм, который обычно соответствует каждому сценарию.
Чувствительный свод осмотренный сзади на заходе солнца, национальном парке сводов, Юте, США. (Фото: Майкл Атман) 
Двойной O Arch перед бурей в саду дьявола, Национальный парк Арчес, штат Юта, США. (Фото: Майкл Атман) 
Арка Pravcicka Brana, знаковый пример архитектуры песчаника в национальном парке Чешской Швейцарии, Чешская Республика. (Фото: Вацлав Сойка) 
Нежная арка, Национальный парк Арчес, штат Юта, США. (Фото: Ярослав Соукуп) 
Пещерные колонны в Cueva Colibri пещерной системы Чарльза Брюера в Венесуэле. (Фото: Либор Ланик) Чешская команда хотела использовать другой подход. Проводя полевые работы в карьере Стрелец в меловом бассейне Богемии, они заметили, что небольшие арки и столбы - максимум около 2 футов - формировались из песчаника в течение нескольких месяцев или лет, а не тысячелетних временных масштабов, связанных с большой геологической архитектурой,
«Было ясно, что ответственные за них процессы в настоящее время работают в карьере, и, таким образом, процессы могут быть потенциально изолированы и объяснены», - говорит Иржи Брутанс, геолог из Карлова университета в Праге и соавтор исследования.
Почему бы не попытаться сделать эти рельефы в лаборатории? Брутанс и его коллеги начали с наблюдения за тем, как песчаник ведет себя в состоянии стресса. Они вырезали кубики песчаника из карьера Стрелец, погрузили их в воду и приложили вертикальную силу к вершине куба, чтобы имитировать напряжение, которое песчаные зерна в камне испытывают от скал над ними.
Без вертикального напряжения кубы постепенно распадаются на отдельные зерна. В противоположность этому, при увеличении вертикального напряжения куб постепенно теряется в виде столба в форме песочных часов. Смотрите сами в видео, созданном авторами в дополнение к их статье:
Важно отметить, что песчаник от Strelec не содержит цементирующих минералов, которые помогают связать частицы песка вместе. Вместо этого авторы обнаружили, что напряжение, оказываемое на песчаник, заставляет минералы сцепляться и удерживать камень вместе.
Чешская команда разработала механизм объяснения формирования столба, и численное моделирование подтвердило их подозрения. В основном, нагрузка внутри блока из песчаника переносится неравномерно, причем некоторые зерна песчаника несут больший вес, чем другие. Вода может легко просочиться в поры породы - пространство между зернами - и разрушить куски песка, но зерна, которые несут большую нагрузку, сложнее отодвинуть.
Думайте об этом как о сухой кирпичной стене. «Кирпич легко вытащить из верхней части стены, но трудно вытащить кирпич из нижней части, так как он загружен», - говорит Брутанс. По мере того как вода стягивает песчинки, все меньше и меньше зерна переносят большую нагрузку, и напряжение между зернами увеличивается, более плотно связывая их вместе и делая их более устойчивыми к эрозии.
Однако некоторые песчаники содержат цементирующие вещества. Так, исследователи взяли образцы цементированного песчаника из Чехии, Венесуэлы и США. Воздействие этих сцементированных кубов на соль и морозное выветривание также приводило к образованию столбов с песочными часами при взвешивании, а ненагруженные кубы разрушались в четыре раза быстрее. Вяжущие материалы растворяются с эрозией, и, таким образом, на цементированные кубы действуют те же силы напряжения, что и в нецементированных кубах.
Очевидно, что эрозия может иметь разные формы. Таким образом, исследователи моделировали осадки и текущую воду в лаборатории, чтобы увидеть, может ли это иметь другой эффект. Во всех случаях нагруженные кубы были более устойчивы к эрозии, чем ненагруженные кубы, что свидетельствует о том, что стресс был ключевым фактором.
Исследователи создали «окно в форме арки», связав песчаник пластиковым цилиндром и врезав искусственные «трещины» в скалу. Погружение в воду вызвало быстрое формирование в относительно стабильной форме кольца. (Фото: Михал Филппи) Помимо колонн, исследователи также пытались сделать арки и ниши в лаборатории. Они обнаружили, что форма породы зависит от геометрии исходного обнаженного куска песчаника. Кубики с небольшими центральными горизонтальными трещинами образуют арки. Частичные горизонтальные надрезы в кубики производят альковы. И вертикальные трещины, кажется, помогают сделать вертикальные колонны или колонны. Кроме того, различные процессы эрозии могут давать одинаковую форму, если они начинаются с одинаковых пород.
Отдельно стоящая арка была создана в лаборатории путем частичного погружения нагруженного блока песчаника с небольшим отверстием у основания. Со временем отверстие расширилось и проникло в блок песчаника, создав арку. (Фото: Марек Янач, Vesmir.cz) Учитывая это, авторы призывают к более тонкому объяснению того, как арки и столбы образуются в песчанике. «Мы не должны говорить, что эрозия или выветривание вырезали формы, так как именно поле напряжений придает формам форму. Процессы эрозии - это просто инструменты, контролируемые стрессом », - объясняет Брутанс.
То, что такой простой механизм может создавать такие красивые структуры, контрастирует с нашим человеческим взглядом на то, что входит в искусство или архитектуру, что эстетически приятно. «Чтобы создавать идеальные фигуры, вам не нужен интеллект или планирование», - говорит Брутанс. На самом деле «обратное верно для природы. Самые совершенные вещи создаются простыми механизмами ».
