Узоры на мёрзлых грунтах: гравитация и необычная физика

На склонах в Арктике можно увидеть удивительные геометрические узоры. Круги, полосы, полигоны и террасы — они словно нарисованы на замёрзшей земле. Среди них есть солифлюкционные структуры: ступенчатые террасы и округлые языки почвы у их основания [1]. Эти узоры — не просто украшение ландшафта. Их понимание помогает прогнозировать оползни в Арктике, где изменение климата ускоряет таяние вечной мерзлоты. Кроме того, похожие структуры на Марсе могут рассказать о его прошлом климате.

Почему узоры долго оставались загадкой

Мёрзлая почва движется очень медленно — всего миллиметры или сантиметры в год. Она ведёт себя сложно: иногда как жидкость, иногда как твёрдое тело [2]. Это зависит от сезонных изменений влажности, температуры и самой физики грунта. До недавнего времени учёные не могли объяснить, как именно формируются солифлюкционные террасы и языки [3]. Исследователи из Рочестерского университета под руководством Рэйчел Глейд решили эту проблему. Они использовали математические модели, данные дистанционного зондирования и обширный обзор литературы [4].

Что отвергли и что нашли

Учёные проверили несколько гипотез. Они рассмотрели аналогии с краской, стекающей по стене, складками на лаве и другими жидкостями. Ни одна не подходила. Тогда они обратили внимание на необычную жидкость — зубную пасту (Oobleck). Это смесь кукурузного крахмала с водой. Её вязкость меняется в зависимости от нагрузки: чем сильнее давишь, тем твёрже она становится [5]. Это свойство называется дилатантностью — кажется, что жидкость «застывает» при ударе или сжатии. Оказалось, что волны, образующиеся в этой смеси, лучше всего соответствуют узорам на мёрзлых склонах.

Как это работает

В основе механизма лежит неоднородность почвы. Увлажнённые участки движутся быстрее сухих. На переднем крае языка или террасы грунт уплотняется и его вязкость растёт, напоминая поведение Oobleck. Это приводит к тому, что почва накапливается за препятствием (например, за случайным бугорком), образуя вал. Со временем этот вал растёт, формируя характерный уступ террасы или язык. Однако у реальной мёрзлой почвы есть и другие важные факторы, которых нет в простой смеси крахмала с водой — например, влияние растительности и неровностей рельефа. Кроме того, для запуска процесса нужен начальный «толчок» — бугорок на склоне, за которым сможет скапливаться материал.

Значение для Земли и Марса

Работа не только раскрывает тайну земных ландшафтов, но и имеет планетарное значение. Похожие узорчатые грунты и солифлюкционные формы были обнаружены на Марсе, в том числе в кратере Ломоносова [6] и в средних широтах обоих полушарий [7]. Их происхождение на Красной планете долго оставалось предметом споров — могли ли они образоваться без жидкой воды и циклов замерзания-оттаивания? Новое исследование даёт физическое объяснение этим формам. Оно показывает, что для их возникновения, вероятно, требуются специфические реологические условия, схожие с земными. Это может указывать на то, что в прошлом на Марсе существовали условия, достаточные для сезонного оттаивания грунта и наличия жидкой воды [8].

Список источников

1. Exploring Potential Mechanisms for the Initiation of Solifluction Patterns – AGU Advances, 2026
2. Landforms and Climate – Ecological Framework of Canada
3. Arctic soil patterns analogous to fluid instabilities – PNAS, 2021
4. Arctic soil patterns analogous to fluid instabilities – OSTI.gov, 2021
5. Solifluction – ScienceDirect
6. Patterned ground as an indicator of periglacial activity in and around Lomonosov Crater, Mars – EGU General Assembly, 2014
7. Evidence for slow periglacial mass wasting in the southern mid-latitudes, Mars – EGU General Assembly, 2015
8. Cold-climate landforms on Mars and Earth-analogues in Svalbard – Dissertations.se