«Вода камень точит» — гласит народная мудрость, и это действительно так. Но сама по себе вода почти не разрушает твердую породу — химия здесь бессильна. Для большинства твердых пород, таких как кварцит или гранит, скорость химического растворения ничтожно мала в масштабах человеческой жизни. Основная работа происходит при физических контактах: камень ударяется о дно, о соседние камни, о стенки русла; зерна песка, увлекаемые потоком, царапают поверхность непрерывно. Уберите эти контакты, оставив одну воду, — и форма камня не изменится и за миллион лет.
Именно поэтому форму определяет режим движения — как именно вода организует контакты между камнями в море и в реке.
Движение волн
В прибойной зоне волна делает то, чего река принципиально не может: она гонит камень вперед и тут же тащит обратно. За один шторм морской камень совершает сотни таких возвратно-поступательных движений, каждый раз скользя по мокрому песчаному дну и ударяясь о соседей. Давление на все грани практически равномерное, частота контактов — исключительно высокая.
Результат этого режима — характерная плоская форма. Авторы работы, опубликованной в European Physical Journal Plus, показали: пляжные камни со временем вытягиваются в плоские эллипсы, похожие на чечевицу, — шаровидными они при этом не становятся. Волновое трение стачивает широкие плоскости интенсивнее торцов, и камень постепенно сплющивается. В активной прибойной зоне острые ребра могут сгладиться за несколько сезонов штормов, а для полного превращения в плоскую гальку требуются годы.
Течение рек
С речной галькой все иначе, так как течение толкает ее только в одну сторону. Большую часть времени камни в реке лежат неподвижно: двигаться они начинают лишь в паводок, когда скорость воды достаточна, чтобы оторвать их от дна. Столкновения редкие, давление — одностороннее.
Геофизик Дуглас Джеролмак из Пенсильванского университета совместно с математиком Габором Домокошем описали в PLOS ONE «двухфазную модель речного скругления». На первых километрах пути от горного обрыва острые ребра стачиваются быстро: высокая угловатость означает высокое давление именно в точках выступа — они стираются первыми. Камень приобретает округлую форму. Но как только форма становится полностью выпуклой, скорость дальнейшего сглаживания резко падает: каждый следующий процент «гладкости» требует во много раз больше контактов, чем предыдущий.
Как форма раскрывает путь
Из разницы в режимах вырастают две разные геометрии. Морской камень плоский, как монета: волновое трение прижимает его к дну и обрабатывает широкие плоскости активнее торцов. Речная галька, прошедшая длинный маршрут, — скорее вытянутая или яйцевидная: столкновения закругляют торцы, но не придавливают сверху, как это делает волна.
Важна и порода. Мягкий известняк сглаживается быстро в любой среде. Твердый кварцит может пройти сотни километров по горной реке и сохранить заметную угловатость. Геологи умеют определять пройденный камнем путь по его форме: плоский зеркальный камень означает долгое нахождение в прибойной зоне, угловатый обломок с едва закругленными ребрами — свежий обвал или самое начало речного пути. Так, например, геологи восстановили маршрут крупнейших алмазов мира.
Сколько времени необходимо
Твердость породы влияет на темп, но логика от этого не меняется: все определяет количество накопленных контактов. Камень, только что упавший с горного склона, теряет самые острые ребра уже на первых километрах речного пути. Чтобы достичь абсолютной гладкости, ему нужно либо пройти сотни и тысячи километров до устья, либо попасть в прибойную зону, где волна выполнит ту же работу в разы быстрее. Именно поэтому в горных реках под ногой хрустит острая щебенка, а в нижнем течении крупных равнинных рек — уже вполне округлая галька.
Конечно, четкой границы нет: на штормовых северных берегах встречаются угловатые известняковые плиты, которым не хватило времени отшлифоваться. Форма — это суммарный счет контактов, накопленных за всю историю камня.
Плоский камень, удобно лежащий в ладони на черноморском пляже, — это тысячи часов прибоя и миллионы столкновений. Угловатый обломок в горной реке — порода, которая начала маршрут совсем недавно и пока не прошла достаточного пути.
Источник новости: hi-tech.mail.ru
