Сталагмиты фиксируют древние климатические изменения

Глубоко в пещерах, где веками падают капли воды, скрывался универсальный природный закон. Международная команда исследователей впервые дала полное математическое описание того, почему сталагмиты принимают ту или иную форму — от стройных конусов до массивных колонн, открыв простой параметр, стоящий за всем этим разнообразием.

Глубоко в пещерах, где царят вечный мрак и тишина, каждая падающая капля воды становится архитектором. Она медленно, тысячелетие за тысячелетием, возводит каменные сооружения — сталагмиты, которые поднимаются с пола пещер, фиксируя в своих слоях историю древнего климата. Эти природные образования, поражающие воображение своими причудливыми очертаниями, долгое время оставались загадкой для науки. Кажется невероятным, но все их многообразие форм — от стройных конусов и колонн до образований с плоской вершиной — оказалось подчинено единому математическому закону.

Новое исследование совершило прорыв в понимании этого процесса. Международная команда ученых из Варшавского университета, Университета Флориды, Научно-исследовательского центра Словенской академии наук и искусств и Университетского медицинского центра Любляны впервые представила полное аналитическое решение 60-летней математической модели роста сталагмитов. Исследователям удалось доказать, что форма «идеального» сталагмита, растущего в стабильных условиях, зависит всего от одного контролирующего параметра — числа Дамкелера. Этот параметр описывает тонкий баланс между скоростью осаждения карбоната кальция и потоком капающей воды.

Падающие капли смачивают небольшой круглый участок, а не точку, поддерживая верхний уровень воды, пока карбонат кальция выпадает в осадок / Источник: Матей Липар

Оказывается, именно это соотношение диктует, каким сталагмитом суждено стать. Если вода капает концентрированно и равномерно, образуется классическая столбчатая форма. При более рассредоточенном капании формируется сталагмит с плоской вершиной. А в условиях высокого потока воды или при прямом падении капель с высоты возникает заостренный конический профиль. Как поясняет ведущий автор работы Петр Шимчак из Варшавского университета, богатое разнообразие форм сталагмитов можно объяснить одним простым параметром, что является редким случаем, когда красота природы напрямую соответствует чистому математическому закону.

Для проверки своей теории ученые провели рентгеновскую томографию реальных сталагмитов из знаменитой словенской пещеры Постойна. Результаты сканирования, выполненные в Любляне, с поразительной точностью совпали с предсказанными математической моделью формами. Уравнения смогли учесть даже такие тонкие детали, как переход от плоской вершины к столбчатой форме. Это доказывает, что несмотря на сложность природных условий, базовая геометрия роста остается неизменной.