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.

---

С. А. Зимов Азбука рисунков природы

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Ответственный редактор кандидат физико-математических наук В. И. Чупрынин

Мир рисунков

В научно-популярных журналах есть рубрика «Найдите закономерности в этих рисунках». Поиск закономерностей в рисунках природы — занятие не менее увлекательное. Они есть и на монументальных полотнах и в миниатюрах. Присмотритесь к космическим снимкам Земли, и среди облаков Вы увидите или ячеистый покров, похожий на запечатанные пчелиные соты, или параллельные гряды, или спираль циклона.

Не сразу, но и среди хаоса рельефа, хаоса горных вершин и хребтов Вы найдете упорядоченность — громадные параллельные горные складки, которые как нарезной батон расчерчены стекающими с них параллельными водотоками. Порядок можно увидеть в цепочках островов и вулканов, в параллельных побережьям полосах рифов. Порядок Вы увидите и на поверхности песчинки, и на крыле комара. Куда бы мы ни бросили взгляд, везде увидим рисунки. Они всегда перед нами. Поднесите руку к глазам, осмотрите ее со всех сторон и Вы увидите и полосы, и сетки, и спирали.

Стремление к порядку присуще человеку. Мы всегда обратим внимание на строгий рисунок, созданный ветром и волнами на песке, на базальтовую мостовую гигантов. Мы копируем порядок, увиденный в природе, и создаем новый, украшаем себя, утварь и жилища орнаментами, размечаем громадные территории прямоугольниками полей и жилых кварталов.

Как появляются все эти рисунки? Например, узор на Вашем свитере или полосы на костюме? Это понятно. А полосы на шкуре зебры или ячеистая сеть на шкуре жирафа?

Каждый рисунок кому-то интересен. Вашей рукой может заинтересоваться хиромант или криминалист. Кому-то интересен рисунок кофейной гущи на стенках и дне перевернутой чашки. Охотник распутывает цепочки следов на снегу. Геоморфолог изучает рисунок рельефа — сплетение линий тальвегов долин, водоразделов. Сеть разломов в земной коре изучают геологи. А объект экономикогеографов — опорный каркас территорий — города, поселения, соединенные транспортными магистралями. Рисунок — наиболее емкий источник информации об объекте (лучше один раз увидеть...), а иногда и единственный. Например, о процессах на Венере или спутниках Юпитера мы можем судить лишь по рисункам на их фотографиях, а замысловатые орнаменты следов на дне древних морей — это все, что осталось от многих вымерших организмов.

Если мы знаем закономерности формирования природного рисунка, то, глядя на него, мы можем восстановить условия, при которых он образовался, охарактеризовать генерирующие процессы или дать прогноз: какой рисунок возникнет при той или иной ситуации. Чем выше упорядоченность структуры, чем более она закономерна, тем легче, достовернее и подробнее можно при ее анализе охарактеризовать породившее ее явление, восстановить ее происхождение. Отсутствие же упорядоченности говорит лишь об одном — «это хаос».

У каждой науки свои объекты, свои рисунки, везде своя специфика. Но почему мы часто видим одинаковые рисунки? Например, рисунок прожилок зеленого листа похож на рисунок речной сети, а паутина радиально-концентрических трещин на стекле автомобиля или сеть разломов в земной коре похожа на рисунок улиц Москвы. Почему рисунок пчелиных сот мы видим и на поверхности подогреваемого снизу слоя вязкой жидкости, и на покрытой трещинами глиняной поверхности пустынного такыра?

Вероятно, процесс формирования упорядоченных рисунков подчиняется каким-то общим законам. А так как большинство природных рисунков несложны и скорее даже примитивны (это пространственный ритм, параллельные полосы, сети, спирали), то можно предположить, что и законы их формирования просты. Что же это за законы? Все загадочное привлекает внимание. Наверно поэтому сегодня проблема появления упорядоченных структур — одна из самых модных. Почти в каждом номере журнала «В мире науки» (Scientific American) можно найти статью, посвященную рисункам.

Воспользовавшись такими ключевыми словами, как «синергетика», «диссипативные структуры», «фрактал», читатель наверняка найдет литературу, необходимую для ознакомления с достижениями в этом вопросе. Мы же попытаемся разобраться в законах упорядоченного рисунка без формул и компьютера, опираясь лишь на багаж школьных знаний и пространственное, образное мышление[1]. И только в конце вспомним законы термодинамики. Они говорят, что любые изменения в системе неизбежно увеличивают хаос или в самой системе, или в ее окружении. Все процессы направлены в сторону увеличения хаоса. Но, с другой стороны, мы видим, как среди хаоса возникает порядок, как среди однородности появляются структуры. «Порядок из хаоса!» — это лозунг синергетики. Но так ли это?

А начнем мы с одного конкретного примера природного рисунка. Он покажет очень важную общую закономерность. Затем от этого сложного объекта мы перейдем к простым примерам. Они помогут от конкретных явлений перейти к простейшим абстрактным рисункам. Это будут азы нашей азбуки. После этого мы вновь вернемся к конкретным рисункам. А потом попытаемся по слогам прочитать некоторые рисунки.

Шедевр природы и ошибка в учебнике

Крайний Север — это богатейший вернисаж природных рисунков. Вершины больших округлых гор здесь многократно опоясаны кольцами и дугами нагорных террас. А если гора поменьше, то от ее вершины густым веером во все стороны расходятся полосы деллей[2], а у подножия горы они вновь сходятся в ложбинах водотоков. На многих склонах можно наблюдать, как при медленном сползании рыхлого чехла поперек склона формируются полосчатые орнаменты из гряд и натеков солифлюкционных террас.

Рисунки на Севере можно найти и на ровном месте. Если грунты щебнисты, то поверхность покрыта ячеистой сеткой каменных многоугольников, а если суглинистые — то мозаикой голых пятен-медальонов. И, конечно, поражают рисунки морозобойных решеток, сплошь покрывающие речные поймы и озерные берега и террасы. Многообразие, тщательность исполнения, громадная площадь полотен — это действительно шедевр косной природы. Здесь можно увидеть и хаотичный рисунок «разбитой тарелки», и «пчелиные соты». Но особенно впечатляют похожие на рисовые чеки строгие решетки прямоугольных (тетрагональных) полигонов, повторяющие очертания речных излучин. У берегов больших рек они непрерывно простираются на многие сотни метров.

Морозобойные структуры возникают в результате следующих процессов. Зимой при охлаждении верхних горизонтов грунтов они стремятся сократить свой объем, но в условиях протяженных массивов сжатие по горизонтали верхних горизонтов невозможно, поэтому в них появляются горизонтальные растягивающие напряжения. Как только они достигают величины, равной прочности грунтов на разрыв, образуются протяженные поверхностные трещины. В глубину они обычно проникают не более чем на несколько метров, так как на этой глубине значительные сезонные температурные напряжения отсутствуют. Ширина трещины обычно — несколько миллиметров, и она плохо заметна. Но со временем рисунок, составленный из этих трещин, становится хорошо виден. Происходит это потому, что в раскрытую трещину весной затекает и замерзает вода. Таким путем формируется узкая ледяная жилка — трещина «залечивается». Но следующей зимой грунты трескаются вновь, причем новые трещины проходят обычно по тем же ослабленным предыдущими трещинами местам. В результате за сотни лет из множества элементарных жилок формируются широкие (до нескольких метров) ледяные жилы. При своем росте они раздвигают вмещающие грунты. Из-за этого на поверхности над жилой образуются канавки, обрамленные валиками отжатого жилой грунта (рис. 1). Благодаря этим валикам полигональный рельеф хорошо заметен даже на высотных аэрофотоснимках. Часто внутри полигонов между валиками застаивается вода, и тогда сходство с рисовыми чеками полное, единственное отличие — в них растет не рис, а пушица.

Рис. 1

Рис. 2

Мы изложили суть механизма образования структурных элементов полигональной сети. Здесь вроде бы все понятно.

А теперь перейдем к механизму образования из этих линий рисунка — полигональной морозобойной решетки. Теория механики разрушения очень сложная. Она оперирует девятью пространственными составляющими напряжений и деформаций (это тензоры). При разрушении материала могут одновременно образоваться как трещины отрыва, так и трещины сдвига, образующиеся под действием касательных напряжений. Но при анализе морозобойного растрескивания поверхности ситуацию можно существенно упростить. Максимальные напряжения и соответственно трещины возникают у поверхности, так как она охлаждается в наибольшей степени. Свободная поверхность разгружает напряжения в перпендикулярном себе направлении, поэтому ситуацию можно рассматривать как двумерную, приравняв вертикальные компоненты нулю. В этом случае, как известно, максимальное касательное напряжение равно