Сергей Зимов - Азбука рисунков природы

• Название: Азбука рисунков природы
• Автор: Сергей Зимов
• Издательство: Наука
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1993
• ISBN: 5-02-003811-3

Почему сетка трещин похожа на сеть городских улиц, а прожилки зеленого листа на речную систему? Как возникает ячеистый рисунок на шкуре жирафа и почему он похож на конвективные ячейки? Есть ли у природы универсальный принцип, обеспечивающий появление упорядоченных форм? Если Вы хотите узнать ответы на эти вопросы, увидеть шедевры природной графики, научиться понимать язык рисунков и конструировать пространственные структуры, если Вам интересна проблема «порядок из хаоса», прочтите эту книгу.

Для широкого круга читателей.

---

Рис. 125

Рис. 126

Рис. 127

При моделировании процесса многократного повторного обводнения и растрескивания массива в итоге получается рисунок канавок «более округлый» по сравнению с первоначальной сетью трещин и с более выдержанными по размерам полигонами, так как канавки, разделяющие небольшие полигоны, повторно не трескаются и заплывают. В итоге рисунок немного приближается к энергетически выгодному гексагональному.

Тройное, близкое к равноугольному, сочленение чаще всего возникает в массивах с мезонеоднородным полем напряжений — при «бугристо-западинном потенциальном рельефе» (см. рис. 84). Такой рельеф может возникнуть даже в однородных средах при быстром промачивании массива, когда верхний слой набухает и препятствует выходу воздуха из нижележащих горизонтов. При этом возникает ситуация «гравитационной неустойчивости», при которой встречные потоки влаги и воздуха формируют подобие конвективных ячеек, в последующем трещины огибают эти ячейки. При моделировании трехлучевые сочленения часто возникают в местах, где в среде были зажаты пузырьки воздуха.

Ширина зоны разгрузки вокруг трещин первой генерации зависит от их глубины: чем она больше, тем больше размер решетки. В рассмотренной нами модели глубина трещин задана глубиной слоя пасты мела. Мели же мощность деформируемого слоя велика, то глубина трещин зависит от вертикального градиента напряжений. Чем больший слой материала напряжен (чем меньше градиент напряжений), тем глубже проникнет трещина.

В первом приближении для трещин усыхания можно принять, что они проникают до глубины, на которой отсутствуют растягивающие напряжения. Если эта граница со временем опускается, то и трещины углубляются. В случаях, когда трещины имеют возможность неограниченно углубляться, получить на поверхности трещины второй генерации трудно. Поэтому, если мы в природе, например на мощных илистых отмелях, видим рисунок, состоящий из трещин разных размеров, то это чаще всего одна генерация, у которой некоторые трещины в режиме конкуренции увеличили свою глубину и ширину.

А теперь вернемся к тому, с чего начали азбуку, — к морозобойному растрескиванию мерзлых грунтов. Для формирования морозобойных решеток необходим субстрат и определенный температурный режим. В зависимости от того, какой из этих факторов первичен, решетки можно разделить на эпигенетические и сингенетические.

В криолитозоне решетки эпигенетического вида возникают при прорыве и быстром спуске термокарстовых озер, при быстром появлении над уровнем реки обширных островов, на участках, где сведен лес и из-за уплотнения снега понизилась температура грунтов. Эффект смещающейся границы в этом случае проявится плохо, так как мезо- и микрорасчлененность потенциального рельефа в реальных ситуациях в большинстве случаев будет превышать его макронаклоны. В речных долинах, на участках пойм и террас с развитием гривного рельефа, где свойства грунтов анизотропны, возникнут решетки с большим числом прямоугольных ячеек. Общий каркас этих решеток будет задаваться рисунком современных и древних прирусловых валов. Различные уступы и бровки в непосредственной близости к ним также могут быть окружены преимущественно тетрагональными решетками. На других же участках, где анизотропность свойств выражена не столь явно, упорядоченность в ориентации элементов решетки может быть выявлена лишь статистическими методами.

Часто на вновь возникших обширных массивах потенциальный рельеф даже в наиболее суровые зимы не поднимается до порогового уровня, но такие массивы могут осваиваться трещинами окружающей территории. Там они возникают по ослабленным зонам существующей морозобойной решетки и «с разгона» проникают в новый массив. Это явление связано с тем, что прочность на разрыв полигонально-жильных блоков меньше, чем прочность ненарушенного массива. Если же вокруг нового массива нет регулярно растрескиваемых решеток, то этот массив может длительное время не покрываться трещинами.

В речных долинах криолитозоны основная часть полигональных решеток является сингенетической. Они медленно достраивались по мере наращивания и промерзания берегов рек и озер. Поэтому характер рисунков в долине всецело определяется особенностями напряжений в узкой полосе, примыкающей к берегу. Заложенные здесь элементы рисунка в последующем почти не меняются. В этой полосе величина температурных напряжений уменьшается по направлению к берегу, и потенциальный рельеф здесь круто наклонен, поэтому микро- и мезонеоднородности эффект смещающейся границы не затушевывают. Благодаря этому морозобойные решетки озерно-аллювиальных равнин отличаются высокой регулярностью элементов.

При изотропном поле напряжений вблизи берега трещины, подходя к нему, должны разворачиваться. Однако эта ситуация реализуется редко. Выпуклые, относительно крутые берега частично разгружают напряжения в параллельном себе направлении, поэтому трещины подходят к ним под прямым углом. На пологих берегах обычно присутствуют различные неоднородности, параллельные берегу, — волноприбойные уступы и террасы, песчаные гривы. Они задают положение протяженных, параллельных берегу трещин. Между этой трещиной из-за вызванной ею анизотропной разгрузки и берегом поле напряжений становится анизотропным — трещины, образующиеся здесь, перпендикулярны берегу. Так как ширина зоны разгрузки морозобойных трещин теоретически бесконечна, то полоса между берегом и параллельной ему трещиной остается анизотропной даже в то время, когда он значительно удалился от этой трещины. Поэтому перпендикулярные берегу трещины удерживаются анизотропным полем напряжений от разворота. Образование новой, параллельной берегу трещины вновь усиливает анизотропность напряжений вблизи берега и т. д. И лишь у ровных пологих берегов, плавно уходящих под урез воды, трещины при подходе к нему разворачиваются, формируя структуры, подобные изображенным на рис. 104, 105.

По мере отступания берегов их крутизна может изменяться, часто периодически (так формируются пойменные массивы с гривным рельефом). В этом случае возникают комбинированные рисунки, в которых полосы с прямоугольными ячейками разделены зонами, где форма полигонов близка к гексагональной.

При единовременном образовании трещин формируются Т-образные сочленения. Но большинство наблюдаемых морозобойных рисунков образовано при многократном повторном растрескивании, при этом из-за различий в последовательности образования трещин такие сочленения превращаются в крестообразные. В этом случае определить, какой из двух пересекающихся элементов возник первым, трудно.

При резких температурных перепадах морозобойные трещины образуются и на поверхности озерного и морского льда. Во льду напряжения очень быстро релаксируют, и часто трещины под весом самого льда быстро закрываются и залечиваются за счет его перекристаллизации. В последующем новая трещина эту залеченную может пересекать под любым углом. Поэтому рисунок, наблюдаемый на льду к концу зимы, состоит из нескольких взаимно несвязанных наложенных одна на другую разновозрастных структур.

Наиболее простая среда для моделирования морозобойного растрескивания — это слой стеарина или воска, нанесенный на жесткую пластину. У этих материалов высокий коэффициент температурного расширения. Но и для их растрескивания необходима температура ниже —30° С. Для тех же, кто живет не в Сибири, можно порекомендовать обычное оконное или бутылочное стекло (коэффициент Пуассона — 0,25). Нагрейте кусок стекла до красна и облейте его водой. Поверхностный слой стекла в результате резкого охлаждения сожмется и покроется мелкой сеткой поверхностных трещин. В зависимости от того, как и куда вы льете воду, на одном и том же куске стекла можно получить параллельные и расходящиеся полосы, рисунок, похожий на пчелиные соты, систему кругов, фрагменты кирпичной кладки, рисунок, близкий к рисунку по эмали. Все эти рисунки, кроме последнего, можно получить на стекле и не нагревая его.

Если изогнуть лист стекла, то одна его поверхность будет растянута, другая сжата, и трещины будут развиваться лишь в растянутом слое, т. е. будут поверхностными. В результате вторичных напряжений эти трещины разорвут и нижний, ранее сжатый слой. Но если кусок стекла зажат между мягких поверхностей, то можно получить нерассыпавшийся образец с поверхностными трещинами. Простейший вариант опыта — зажать пластину стекла между двух книг и сильно ударить молотком в центр. Удар создаст на нижней поверхности стекла растягивающие напряжения. Раскрывайте книгу и читайте рисунок. Присмотритесь с лупой к длинным разбегающимся лучевым трещинам. От них, как веточки, отходят маленькие трещинки.