Фізики вирішили уточнити механізм, який утворює мозаїку з багатокутників на поверхні у соляних пустелях, як-от у Долині Смерті в США. Дослідивши мапи поверхні, склад солі та солоність підземних води подібних локацій, вчені створили гідродинамічну модель, яка показала, що за утворення однакових багатокутників відповідає взаємодія рідини, яка випаровується, та рідини, що знаходиться під поверхнею. Вони утворюють конвекційні комірки, які й відповідальні за різну швидкість осадження солі, а отже — і за характерні, схожі на бджолині стільники, структури. Дослідження опубліковане у Physical Review X.
Долина Смерті. Justin Mier / flickr
Що досліджували фізики?
Солончакові пустелі утворюють неймовірні ландшафти з срібляво-білих рівнин, що часто вкриті чудернацькими формами. Зокрема їм характерна мозаїка з утворених гребенями солі багатокутників. Її можна зустріти по всьому світі: у солончаку Салар-де-Уюні в Чилі, солоному озері Шотт-ель-Джерід в Тунісі, улоговині Бедвотер, де знаходиться знаменита каліфорнійська Долина Смерті, у пустелі Деште-Кевір в Ірані.
Відомо, що такі пейзажі утворюються у регіонах з негативним водним балансом, тобто в яких темпи випаровування рідини значно перевищують кількість опадів, а поповнюються запаси рідини в основному підземними водами, що і приносять розчинені солі, які накопичуються на поверхні під час випаровування. Втім, навіть попри місцеві відмінності в геології, хімічному складі солей та екологічних умовах, подібні пейзажі схожі між собою у різних локаціях, а точний механізм появи таких структур досі невідомий.
У своєму дослідженні вчені з Австрії, Німеччини та Великобританії спробували знайти своє пояснення тому, як сіль утворює такі форми, змоделювавши взаємодію процесів поповнення рідини підземними потоками та її випаровування.
Приклади соляних багатокутників, що утворюються у Долині Смерті. Jana Lasser et al. / Physical Review X, 2023
Як шукали пояснення?
Досі більшість пояснень появі таких структур формулювалися через механічні ефекти, що виникають при осадженні солі та її висиханню. Однак ці моделі не могли пояснити масштаби багатокутників, відстані між ними, а також їхньої подібності у різних кутках світу. Тож у своїй роботі фізики зосередилися не на сольовому покриві та його змінах, а на джерелі, що живить його — підповерхневих потоках води та процесах конвекції.
Дослідники створили гідродинамічну модель, а також перевірили свої висновки експериментально що візуалізували конвекційну динаміку, і у польових спостереженнях на озері Оуенс (Owens Lake), що знаходиться на сході Сьєрра-Невада.
Знімки зі спостережень за ростом соляного шару в озері Оуенс. Jana Lasser et al. / Physical Review X, 2023
Що малює багатокутники?
Дослідники створили модель, яка показала, що головну роль у появі соляних багатокутників на поверхні мають грати конвекційні потоки. Щільний шар солі підживлюється потоками підповерхневої рідини меншої густини, що провокує появу конвекційного потоку: солоніша рідина опускається нижче, а з меншим вмістом солі, навпаки, підіймається. Так створюються висхідні потоки рідини, через які всередині кожної такої конвекційної комірки солона кірка росте повільніше.
Створена вченими модель, що враховувала конвекційні комірки від взаємодії шару солі з підземними водними потоками. Jana Lasser et al. / Physical Review X, 2023
Втім, як показали вчені, на межі цих комірок конвекція повинна призвести до більшого потоку солей на поверхню на відміну від низхідних потоків, оскільки градієнти солоності в підземних водах слабкіші. Так розростаються гребені та утворюють схожий на бджолині стільники візерунок. Результати моделювання фізиків збіглися з їхніми спостереженнями на озері Оуенс де вони протягом чотирьох місяців фільмували появу солоних багатокутників.
Ілюстрація роботи запропонованого вченими конвекційного механізму, що утворює багатокутники на солончаках. Jana Lasser et al. / Physical Review X, 2023
Раніше ми розповідали, як фізики заморожували в лабораторії каміння, щоб пояснити появу кіл з гальки.