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从青藏高原到北极甚至火星地表,这些神秘的图案从何而来
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来源:上观新闻 作者:黄海华 2021-10-05 06:31
摘要:既令科学家十分着迷,也引发了旷日持久的争论

你见过这样的神秘图案吗?它由大大小小、形态各异的碎石堆积而成,有的排成多边形的空心石环,有的呈条纹状空间分布。在我国青藏高原、大小兴安岭等冻土地区,埃塞俄比亚高山地区,北极地区斯瓦尔巴群岛,甚至火星地表,都分布着这样的规则石质图案,既令科学家十分着迷,也引发了旷日持久的争论。


美国夏威夷高山地区的石头条纹斑图。图片来源:华盛顿大学BernardHallet

日前,国际顶尖期刊《美国科学院院报》在线刊登了由中国科学家团队领导,日本、美国和荷兰科研人员共同参与的一项最新研究成果。该研究首次发现了地表颗粒物质自组织过程中的“相分离”机制,并揭示了冻土区“规则有序图案”的形成过程及其地貌演变特征。

【图案形成背后的物理机制尚不明确】

地表系统中的颗粒物质在风力和冻融等外界环境作用下,会不断聚集与分离,并自发形成有序的空间结构,这种现象称为自组织地貌。这种特殊的机制让地表颗粒物质从无序中创造有序,由简单向复杂演化,进而形成多种多样精致的地表斑图。


挪威斯瓦尔巴特群岛的石头迷宫斑图。图片来源:华盛顿大学BernardHallet

1952年,计算机科学之父图灵,第一次用“反应-扩散”数学模型解释了某些自组织斑图的形成机制。图灵提出自然界中复杂图案的形成原理和化学中反应-扩散机制一样,是由系统内两种物质在空间上的尺度依赖反馈引起空间均匀态失稳,而导致了对称性破缺,从而使得系统内自组织产生一些空间定态图案。这个过程及其所形成的图案被后人称为图灵斑图。

大量研究表明,图灵斑图广泛存在于生物学界中,如老虎和斑马鱼的条纹,豹子身上的斑点以及鳄鱼牙齿排列的间距等现象。尽管自组织机理在物理、化学、生物和生态学中得到了广泛研究,然而由于地球演化过程极其缓慢,因而很难对自组织地貌进行观察与实验验证,地表碎石分布图案形成背后的物理机制尚不明确。

【首次发现并报道了地貌学中的相分离机制】

华东师范大学生态与环境科学学院刘权兴教授团队联合绍兴文理学院青年教师李安原,中国科学院冻土工程国家重点实验室、华南理工大学、上海交通大学、日本筑波大学、美国华盛顿大学、伊利诺伊大学香槟分校、荷兰皇家海洋科学院的科学家,基于长达3年的研究,创造性地设计了针状冰-颗粒分选实验系统,大幅度缩短了地表演变时间尺度,从实验角度证明了针状冰的周期性冻融是地表系统中的颗粒物质空间自组织景观的主要驱动力。

研究人员发现,多年冻土区地表颗粒物质在冻融循环作用下,地表碎石不断朝着石域浓度高的区域迁移,进而自发地形成多种空间有序图案结构。


中国川藏冻土区海拔4200米处。拍摄人:刘权兴

该研究在国际上首次发现并报道了地貌学中的相分离机制,并揭示了地表图案产生的新型机理。“相分离原理的本质是石头从低浓度向高浓度运动,这种运动方式与传统的扩散是不一样的。”刘权兴说。

此外,研究人员构建的相分离理论体系也能够重现火星地表碎石呈现的多种图案。鉴于火星地表的砾石图案与地球冻土地区砾石图案具有高度的相似性,有望通过进一步收集火星或类似环境的证据,并通过控制实验证明相分离亦驱动着火星冻土环境地貌的演化。


火星地表颗粒物质通过自组织形成的地貌结构。来自HiRISE (NASA/JPL/University of Arizona)

栏目主编:黄海华 文字编辑:黄海华 题图来源:川藏海拔约4000米区域。拍摄人:刘权兴
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