Природните арки и колони възникват благодарение на самоорганизацията на зрънцата минерали в техните породи, изясниха геолози.

Красивите природни арки и колони, които може да се срещнат в планинските местности и в пещерите, се оказаха продукти на необичаен процес на самоорганизация, която „извайва" тези природни паметници на архитектурата отдолу нагоре, правейки зърната на пясъчника в долната им част по-устойчиви към ерозия.

До този извод са стигнали геолози, изучаващи структурата и свойствата на природните арки и публикували изводите си в Nature Geoscience.

Обликът на Земята се мени практически непрекъснато благодарение на тектонските процеси в нейните недра и различните форми на ерозия. Главните „скулптори" на планетата са вятърът, реките, дъждовете, ледниците и други сили и явления, разрушаващи планинските породи.

Днес геолозите различават няколкостотин ерозионни форми на релефа, във формирането на които участват десетки различни процеси и фактори.

Иржи Брутанс от Карловия университет в Прага и колегите му изяснили, че рождението на природните арки и колони е процес далеч неслучаен. Изследователите се научили да създават миниатюрни копия на подобни форми на релефа в лаборатория.

Както обясняват авторите в статията, голяма част от такива природни паметници на архитектурата се състоят от пъсъчник – относително рохкава планинска порода от микроскопични зърна кварц и други минерали, залепени помежду си под действието на налягането, влагата и други геоложки фактори. Той лесно се разрушава от вятъра и потоците вода, благодарение на което Земята е украсена от стотици природни арки и колони.

Учените анализирали вътрешната структура на няколко арки от пясъчник и открили нещо необичайно – плътността и разположението на минералните зърна значително се отличават в горната и долната им част. Частичките кварц в подножието на арките били подредени по-плътно и сцеплението между тях било по-добро, отколкото при върха. Този факт озадачил учените – те очаквали да видят еднакви показатели в различните части на арките.

Това навяло Брутанс и колегите му на мисълта, че разликата в налягането и физическите свойства на пясъчника в основата и при върха може да играе важна роля във формирането на арките и колоните. Подобни структури се формират в природата за няколко столетия, дори хилядолетия. Учените се опитали да повторят и ускорят този процес в лаборатория.

За тази цел геолозите се отправили в кариерата Стрелец, разположена недалеч от Прага, откъдето взели няколко кубика пясъчник. Връщайки се в лабораторията, изследователите изсушили образците и поставили пясъчника в специална камера, в която постоянно го подлагали на действието на вода, пориви вятър и налягане отгоре.

Отначало нищо не се получило – пясъчникът се разрушавал поради прекомерното количество вода, разпадал се под тежестта на горната част или нищо не се случвало изобщо. Но постепенно учените успели да създадат такива условия, при които фрагментите пясъчник започнали да се превръщат в арки и колони и да разкрият вътрешния механизъм на тяхното формиране.

Става дума за това, че зърната на пясъчника са разпределени неравномерно и всяка частичка кварц и други минерали се намира под действието на огромно натоварване, от което зависи доколко здраво гранулите се сцепват помежду си. Когато пясъчникът се подлага на действието на вятъра или други сили на ерозия, слабо закрепените зърна първи се издухват от неговата повърхност, в резултат на което налягането върху основата на бъдещата арка или колона постепенно нараства.

Заедно с нарастването на натоварването се увеличава и силата, с която индивидуалните частици пясъчник се съединяват помежду си, което ги прави все по-устойчиви към ерозия. По тази причина разрушаването на породите постепенно се забавя и в крайна сметка спира, когато дебелината на бъдещата арка достигне критична точка.

Благодарение на процеса на самоорганизация арката нараства отдолу нагоре – измененията в плътността първо стават в долната част и чак след това – при върха на бъдещия паметник на природната архитектура.

Самоорганизацията изключва вероятността от критични изменения в „построяването" на арката или колоната поради въздействието на случайни фактори – поведението на кварцовите зрънца и други минерали в пясъчника зависи изключително от свойствата на самата природа, а не от външни обстоятелства.

Брутанс и неговите колеги смятат, че този феномен следва да се включи във всички учебници по физика и геология като най-елегантния и ярък пример за самоорганизация в природата.