Les scientifiques de l'Institut des sciences et de la technologie de Skolkovo ont déterminé, grâce à la modélisation mathématique, que le processus d'érosion optimisait les formes des matériaux en désintégration.

L'érosion naturelle du vent et de l'eau crée souvent des reliefs spectaculaires tels que des arches et des ponts naturels, piliers et dômes équilibrés. Les parcs nationaux de l'Utah aux États-Unis sont une véritable vitrine de ces belles structures. Et ce phénomène peut ne pas se limiter à la surface de la Terre; des preuves récentes montrent que des formes de relief similaires pourraient également être courantes sur Mars. La beauté, la stabilité et la précision technique des arches naturelles ont toujours suscité l'étonnement et la curiosité des géologues, ainsi que les architectes - la nature a tendance à former des arcs dits « caténaires », le plus stable parmi les arcs autoportants possibles.

Les questions sur les mécanismes de formation de telles structures sont longtemps restées sans réponse. L'absence d'explications convaincantes sur la façon dont les processus d'érosion aléatoire sont capables de sculpter des formes aussi peu banales que les arcs caténaires a suscité un intérêt particulier dans le contexte de la géomorphologie de Mars et d'autres planètes, inspirant parfois des spéculations fantaisistes sur l'architecture des civilisations extraterrestres.

Les chercheurs de Skoltech se sont inspirés d'une étude récente dans laquelle des scientifiques de l'Université Charles de Prague ont suggéré que le mécanisme à l'origine de la formation d'arches naturelles est la rétroaction négative entre le stress et le taux d'érosion de surface. En d'autres termes, l'érosion naturelle tend d'abord à enlever la matière non contrainte qui est inefficace en termes de transfert de charge. La raison d'un tel comportement est une loi bien connue du frottement sec :plus la particule d'une roche est comprimée entre ses voisines, plus il est difficile de l'enlever.

"Cette idée simple a attiré notre attention. Nous n'avons pas pu nous empêcher de noter que des méthodes très similaires de recherche de formes optimales de structures d'ingénierie étaient largement utilisées dans l'industrie moderne. Ces méthodes, connue sous le nom d'optimisation structurelle évolutive, sont basées sur l'élimination ultérieure de matériaux inefficaces. L'aspect le plus frappant de cette ressemblance est le fait que le critère mathématique d'enlèvement de matière utilisé dans les approches d'optimisation de l'ingénierie est presque exactement celui qui découle de la physique du processus d'érosion, " a déclaré le chercheur scientifique de Skoltech Igor Ostanin, l'auteur principal de l'étude.

Dans leurs travaux, les scientifiques de Skoltech ont proposé de considérer le phénomène d'érosion comme le processus d'optimisation de la forme. Ils ont démontré que, dans un ensemble de conditions raisonnables, l'érosion effectue l'optimisation de la forme du matériau en train de se désintégrer, minimisant localement l'énergie de déformation élastique stockée dans la masse rocheuse. Il a également été montré que pendant le processus de formation d'une structure stable et bien équilibrée, le taux d'érosion diminue considérablement, puisque la structure ne contient plus de matériau non contraint et inefficace. Par conséquent, les structures qui ont été initialement érodées à des taux observables à l'œil nu deviennent stables à des échelles de temps géologiques de milliers, et même des millions, d'années.

La formation de colonnes, arches et autres morphologies exotiques a été illustré en modélisation numérique, à l'aide du logiciel d'optimisation de la topologie, développé à Skoltech plus tôt. Les résultats de l'étude ont été publiés dans Rapports scientifiques sur la nature .