Des cercles de pierres au Svalbard, Norvège. Chaque cercle mesure environ 10 pieds, ou 3 mètres, de l'autre côté. De nouvelles recherches donnent un aperçu de la façon dont ces caractéristiques se forment dans les roches, paysages sujets au gel. Crédit :Bernard Hallet/Université de Washington
La nature regorge de motifs répétitifs qui font partie de la beauté de notre monde. Une équipe internationale, dont un chercheur de l'Université de Washington, utilisé des outils modernes pour expliquer les motifs répétitifs des pierres qui se forment dans les paysages froids.
La nouvelle étude, publié le 5 octobre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , utilise des outils expérimentaux pour montrer comment des aiguilles de glace poussant au hasard sur un sol gelé peuvent progressivement transformer des roches en roches régulières, motifs répétitifs. L'équipe, basé principalement en Chine et au Japon, utilise une combinaison de nouvelles expériences et de modélisation informatique pour décrire ces caractéristiques frappantes avec de nouvelles connaissances théoriques.
"La présence de ces motifs étonnants qui se développent sans aucune intervention humaine est assez frappante dans la nature, " a déclaré le co-auteur Bernard Hallet, professeur émérite de l'UW en sciences de la Terre et de l'espace et membre du Quaternary Research Center. "C'est comme un jardin japonais, mais où est le jardinier ?
Hallet est spécialisé dans l'étude des motifs qui se forment dans les régions polaires, haute montagne et autres environnements froids. L'une des raisons des motifs est la glace à l'aiguille. Au fur et à mesure que la température baisse, l'humidité contenue dans le sol se transforme en pointes de cristaux de glace qui dépassent du sol.
"Quand tu sors dans le jardin après une nuit glaciale et que tu sens un petit craquement sous le pied, vous marchez probablement sur de la glace à l'aiguille, " dit Hallet.
Labyrinthes de pierres du Svalbard, Norvège. Des motifs de labyrinthe se forment là où les pierres sont sur une pente douce. De nouvelles recherches donnent un aperçu de la façon dont ces caractéristiques se forment dans les roches, paysages sujets au gel. Crédit :Bernard Hallet/Université de Washington
Au fur et à mesure que la glace en aiguilles se forme, elle a tendance à pousser les particules de sol, et s'il y en a, petites pierres. Plus de glace en aiguilles peut se former sur des parcelles de sol nu par rapport aux zones couvertes de roches, dit Hallet. Les aiguilles à glace déplaceront légèrement les pierres restantes dans la région plus nue. Pendant des années, les pierres commencent à se regrouper, laissant les taches nues essentiellement sans pierre.
"Ce genre de croissance sélective implique des rétroactions intéressantes entre la taille des pierres, l'humidité du sol et la croissance des aiguilles de glace, " dit Hallet.
Hallet avait déjà examiné un autre article scientifique du premier auteur Anyuan Li, anciennement à l'Université de Shaoxing et maintenant à l'Université de Tsukuba au Japon. Les deux ont commencé une collaboration qui mélange l'expertise de longue date de Hallet en matière d'investigation des modèles dans la nature avec l'expérience de Li et de ses collaborateurs en science expérimentale et en modélisation informatique.
L'auteur principal Quan-Xing Liu de l'East China Normal University utilise des travaux sur le terrain et des expériences en laboratoire pour comprendre les modèles auto-organisés dans la nature. Pour cette étude, la configuration expérimentale était un carré plat de sol humide d'un peu plus de 1 pied de chaque côté (0,4 mètre) qui commençait par des pierres espacées uniformément sur la surface. Les chercheurs ont mené l'expérience sur 30 cycles de gel-dégel. A la fin de ce temps, des motifs réguliers avaient commencé à apparaître.
Lignes à Hawaï. Des cycles de gel-dégel répétés créent des lignes lorsque les pierres se trouvent sur un sol en pente plus raide. De nouvelles recherches donnent un aperçu de la façon dont ces caractéristiques se forment dans les paysages sujets au gel. Crédit :Bernard Hallet/Université de Washington
"Les vidéos sont assez frappantes, et ils montrent que la glace vient juste de monter et en un seul cycle elle pousse les pierres et les déplace légèrement sur le côté, " a déclaré Hallet. " En raison de ces expériences et des capacités des individus impliqués à analyser ces résultats, nous avons beaucoup plus tangible, descriptions quantitatives de ces caractéristiques."
D'autres expériences ont examiné comment le motif change en fonction de la concentration de pierres, la pente du terrain, et la hauteur des aiguilles à glace, qui est également affectée par la concentration en pierre. Sur la base de ces résultats, les auteurs ont écrit un modèle informatique qui prédit quels modèles apparaîtront en fonction de la concentration de pierres sur la surface sujette au gel.
Deux modèles informatiques différents prédisent la distribution à long terme des pierres sur un sol gelé en fonction de la concentration initiale des pierres. La colonne de gauche commence avec une couverture en pierre de 20%, qui crée des îles, montré ici en blanc; les rangées du milieu ont une couverture en pierre de 30% et 40%, qui crée des labyrinthes et des formes ressemblant à des vers ; et la quatrième colonne est de 80% de couverture en pierre, qui ne donne aucun modèle. La colonne de droite montre une couverture en pierre de 20 % sur un terrain légèrement en pente ; les pierres ont tendance à former des lignes. Crédit :Li et al./PNAS
Les autres co-auteurs de la nouvelle étude sont Norikazu Matsuoka de l'Université de Tsukuba; Fujun Niu à l'Université de technologie de Chine du Sud; Jing Chen et Wensi Hu à l'Université normale de Chine orientale; Desheng Li à l'Université Jiao Tong de Shanghai en Chine; Johan van de Koppel à l'Université de Groningen aux Pays-Bas; et Nigel Goldenfeld à l'Université de Californie, San Diego.
