Ученые из России выяснили, как ветер "строит" загадочные арки в горах

Математики из "Сколтеха" раскрыли секрет формирования самых необычных природных структур - изящных колонн, арок и прочих архитектурных элементов, которые нередко можно встретить в горах, и опубликовали свои выводы в журнале Scientific Reports.

Облик Земли меняется практически каждую секунду благодаря движению континентов, круговороту пород в ее недрах и различным формам эрозии. Главные "скульпторами" лица планеты являются не люди, а ветер, реки, дожди, ледники и другие силы и явления. За последние несколько веков ученые открыли несколько сотен эрозионных форм рельефа, в формировании которых участвуют десятки различных процессов и факторов.

Самыми яркими и необычными из них являются гигантские каменные арки, мосты, колонны и прочие сложные структуры, которые можно увидеть в горах, сложенных из песчаника и других мягких пород. История их формирования была одной из самых интересных загадок для человечества, и многие несведущие люди серьезно предполагали, что их изваяли представители древних цивилизаций или даже "гости" из космоса.

Три года назад математики из Карлова университета в Праге (Чехия) выяснили, что их "скульптором" был ветер, а не пришельцы или древние зодчие. Они обнаружили, что эти колонны и арки возникают в результате необычного процесса самоорганизации зерен песка внутри пластов песчаника, разрушаемых ветром, который заставляет их крепче цепляться друг за друга по мере "рождения" арки или колонны.

Игорь Останин, научный сотрудник Сколтеха, и его коллеги заинтересовались открытием чешских коллег, когда они заметили, что описанный ими феномен очень похож на то, как самые "продвинутые" инженеры и архитекторы оптимизируют сегодня форму и структуру рукотворных колонн, арок и прочих сооружений, где одновременно необходима и высокая прочность, и небольшой вес.

"Мы не могли не заметить, что похожие методы поиска оптимальных форм сооружений широко используются в современной индустрии. Эти методы, эволюционная структурная оптимизация, основаны на постепенном удалении неэффективного материала. Наиболее поразительным аспектом этого сходства является то, что математический критерий, по которому удаляется материал при оптимизации, практически точно совпадает с критерием, следующим из физики процесса эрозии", - рассказывает Игорь Останин, научный сотрудник Сколтеха.

Руководствуясь этой догадкой, Останин и его коллеги создали набор математических формул, описывающих процесс ветровой эрозии, и попытались "построить" арку при его помощи, используя компьютерную модель пласта песчаника.

Она была крайне простой - песчаник, по сути, состоял из множества почти не связанных друг с другом кубиков, давивших на соседей с определенной силой. Если эта сила превышала определенное значение, то ветер не мог сдвинуть этот "кубик" с места, а в противном случае он исчезал из пласта через определенный промежуток времени.

Экспериментируя с этой моделью, российские ученые подтвердили выводы их чешских коллег и раскрыли несколько физических принципов, объясняющих то, как рождаются эти колонны и арки. В самом общем виде им удалось показать, что ветер играет роль своеобразного "компьютера", который пытается придать пласту из песчаника такую форму, при которой внутри него накапливается минимальное количество энергии упругой деформации, очень постепенно и случайно удаляя самые слабые элементы из конструкции.

Изначально этот процесс протекает очень быстро, однако через несколько сотен лет, когда форма колонны или арки уже подходит к идеальной, эрозия резко замедляется, так как почти все "кубики" начинают цепляться друг за друга с очень большой силой. Благодаря этому реальные горные арки и колонны могут существовать миллионы лет в почти нетронутом виде.

Подобные выводы, как отмечает Останин, важны не только для инженеров и геологов, но и для людей, занятых поисками следов внеземной жизни. Теперь, как подчеркивают российские математики, подобные структуры, которые, к примеру, могут быть открыты на Марсе, в принципе нельзя считать следами внеземных цивилизаций.