Почему Движущиеся камни перемещаются?

Тайна "бегущих" или "катящихся" камней интересует не только нас, любознательных, но и учёных.

 Я - не филолог, а переводчик-любитель, потому возможны ляпсусы и прочие недоразумения. Поправки и замечания принимаются с благодарностью :о)

Перехожу к таинственному явлению природы - блуждающим камням.

То, что в этих шатаниях каменных многие усматривают то жизнь тяжкокаменную (с таинственными внутренними импульсами), то происки шайтана и проч. в таком русле - не секрет. И обсуждать это не вижу смысла. Более интересует мнение специалистов и тех, кто изучает это явление не по-детски :о) Пока переводила статью, обнаружила, что есть интересная публикация нашего соотечественника - геолога. Так что, приглашаю ознакомиться и с нею.

А. Галанин Долина блуждающих камней

Ну, а мы займёмся тем, что называется Sliding Rocks on Racetrack Playa, Death Valley National Park: First Observation of Rocks in Motion

Первое, что смутило, это наименование местности - Racetrack Playa. Оказалось, что

Далее буду просто писать Гоночная плайя.

Введение

Гоночная плайя в Национальном парке Долина Смерти (в районе пустыни Мохаве и Большого Бассейна, штат Калифорния) хорошо известна благодаря феномену следов, оставленных сотнями камней, бороздящих почти плоскую поверхность плайи (Фото 1).

Фото 1.

Перемещение камней от гальки до валунов доломита и гранита оставляет на поверхности плайи следы, показывающие (бороздами, вырезанными в её грязи) направление движения. Примечательно, что при движении нескольких камней обычно наблюдаются параллельные следы (фото 2), включая, по-видимому, синхронные повороты под большим углом, а иногда и изменение направления движения. Явление движения горных пород вызывает значительный интерес, и существует научная и популярная литература, возходящая к первому сообщению в 1948 году. С тех пор теодолитные картографические съёмки, повторные фотографии и, совсем недавно, изпользование субметрового GPS с высоким разрешением для картирования камней и их трасс показали, что камни движутся очень эпизодически, часто находясь без движения в течение от нескольких лет до десятилетия и более. Были предложены различные механизмы движения камней, но однозначно определить их не удалось из-за сурового характера окружающей среды плайи и труднодоступности места.

Фото 2. Вид с «изходного холма» на южном берегу Рэйтрек-Плайя на север, 20 декабря 2013 г., 15:15. Устойчивый лёгкий ветер скоростью 4–5 м/с унёс воду на северо-восток, обнажив недавно образовавшиеся каменные следы. На нижнем изображении показано наложение линий, чтобы подчеркнуть конгруэнтную форму соседних следов камней, а также близость следов к камням, которые не двигались.

Все авторы сходятся во мнении, что движение пород (камней) наиболее вероятно, когда поверхность плайи влажная, что создаёт скользкую поверхность, и что в этом процессе должен участвовать ветер. Первое научное изследование Гоночной плайи позволило предположить, что движение горных пород вызывается пылевыми дьяволами. Эта идея была проверена с помощью омывания воздушным потоком самолётного пропеллера на смоченной поверхности Гоночной плайи; эти эксперименты показали, что перемещать природные камни может ветер со скоростью более 20 м/с. Шелтон предположил, что снижению сил трения, сопротивляющихся движению пород при сильном ветре, могут способствовать другие факторы, включая наличие водорослевых плёнок. У. Шарп провёл статические и динамические изпытания на трение с изпользованием камней, буксируемых по мокрой и сухой грязевой поверхности, и разсчитал, что для перемещения пород необходима скорость ветра 33-45 м/с. Дополнительные разсчёты для камней различных размеров и парусной высоты показали, что большинство камней будут перемещаться по увлажненной поверхности плайи, где коэффициент статического трения составляет около 0,15, а скорость ветра >40 м/с. Другие изпытания на статическое трение указывают на необходимость ещё более высоких скоростей ветра (до 80 м/с), особенно для перемещения пород с относительно низким профилем. Все эти эксперименты свидетельствуют о том, что для перемещения горных пород необходимы очень сильные ветры.

Рис. 3

Другие авторы, в первую очередь Стэнли, утверждали, что камни вмерзают в ледяной покров, который уменьшает трение с подстилающим дном озера и увеличивает сопротивление ветру. Большинство этих авторов также отмечают, что несколько камней могут идти почти по одинаковым следам, что позволяет предположить, что они перемещались, будучи вмороженными в большой слой льда, плавающий на жидкой воде. Рид и другие провели обширные наблюдения за следами камней и показали параллельные перемещения между камнями, находящимися друг от друга на разстоянии до 830 м, что предполагает наличие очень больших листов льда. Эти авторы также отметили, что параллельные трассы могут включать камни разных размеров, которые во время движения обычно не вращаются и не перекатываются - оба наблюдения указывают на то, что за движение их отвечает лёд, а не ветер. Также было отмечено, что камни, заключённые в лёд, могут частично всплывать на поверхность ила плайи, оставляя более мелкие следы, чем можно было бы ожидать от камней, перемещающихся по илистой поверхности только под действием ветра.

Для проверки гипотезы о ледяном щите Р. Шарп и Кэри провели знаменитый эксперимент "загон", в ходе которого вокруг нескольких камней они вбили ряд кольев в поверхность плейи. Цель состояла в том, чтобы проверить, будут ли камни двигаться независимо друг от друга, как это могло бы произходить в отсутствие льда при движении под действием ветра. В течение следующей зимы один камень вышел из загона, в то время как другой остался внутри круга из кольев, что Шарп и Кери интерпретировали как свидетельство того, что лёд не является движущим механизмом для движения камней. Наконец, Мессина и Стоффер нанесли на карту местоположение камней и проследили видимые следы с помощью субметрового дифференциального GPS. Несмотря на то, что следы многих камней в целом схожи, отклонения в следах указывают на то, что они, скорее всего, двигались независимо друг от друга, а не под действием единого ледяного покрова.

Методы

Для описания метеорологических условий на плайе, а также скоростей и времени движения горных пород рядом с Гоночной плайей установили метеостанцию, несколько камер замедленного действия с видом на юго-восточный угол плайи и 15 камней с GPS-инструментами на поверхности плайи (Рис. 3). Плато посещали 5-8 раз в год для замены батарей и загрузки погодных данных. С ноября по март каждого года таймлапс камера была настроена на ежечасную запись условий.

Погодная станция непрерывно регистрировала скорость ветра с интервалом в 1 секунду, а также температуру, инсоляцию, количество осадков и GPS-координаты. Метеостанцию закрепили на поверхности аллювиального вентилятора в точке N36.6823, W117.5515, к северо-востоку от самого большого скопления камней на Гоночной плайе (ф. 3). Это место находится вдоль траектории самых длинных следовых дорожек, нанесённых на карту Мессиной и Стоффером. Погодная станция была оборудована регистратором данных, пиранометром, датчиком температуры и относительной влажности и ветровым монитором. Для сбора осадков изпользовался дождемер с опрокидывающимся ведром; обратите внимание, что этот прибор не предназначен для измерения осадков в виде снега или эквивалентов снежной воды. Чтобы определить пиковую скорость порывов ветра, его скорость измерялась с интервалом в 1 секунду. В 3 метрах от поверхности аллювиального веера был разположен анемометр (ветромер), возможно, недостаточно хорошо отображающий силу ветра на поверхности плайи.

Изготовленные на заказ GPS-логгеры были помещены в известняковые блоки разного размера, которые размещены на Гоночной плайе к северо-востоку от наибольшего скопления природных камней (фото 4). Приборы фиксировали GPS-положение и температуру логгера с интервалом в 60 минут. Так как под каждым блоком в поверхность плайи были закопаны магнитные триггеры, то после начала движения камня они отключались, и включалась непрерывная запись (с интервалом в одну секунду) датчиков его положения и температуры логгера.

Фото 4. Камень с GPS-приборами и оставленным им следом. GPS-модуль с аккумулятором вставляется в углубление, пробуренное в вершине камня. GPS постоянно записывает своё положение после срабатывания переключателя, когда камень удаляется от магнита, установленного на пляже. На этом изображении поверхность Плайи заморожена, но лёд разтаял или плавал, когда образовывался след. Изображение Майка Хартманна.

Известняковые блоки были пермского возраста формации Дарвин-Каньон (Калифорния), и в них были искусственно созданы полости, чтобы поместить GPS-логгеры. У некоторых из камней комплекты приборов оказались затопленными, поэтому у учёных имеются данные только по начальному и конечному положению этих "бегунов". Три камня полностью зарегистрировали свои начальные положения и скорости движения. Два из них через некоторое время после первоначального перемещения (и после того, как разрядились батареи GPS) снова переместились, и общая длина тропы оказалась больше, чем записали приборы.

(В статье приводятся таблицы и графики, а также список научных публикаций, которые упоминаются. Я не стала их сюда включать)

Результаты и обсуждение

Изследователи зарегистрировали движение камней, связанное с мелким прудом (максимальная глубина 10 см), который существовал на Гоночной плайе с конца ноября 2013 года по начало февраля 2014 года (рис. 5).

Рисунок 5. Запись погоды с Racetrack Playa, Температура (красная линия), средняя скорость ветра за 1 час (чёрная линия), инсоляция (синяя линия) и количество осадков (заполненная тёмно-синяя линия) с 20 ноября 2013 г. по 9 января 2014 г. Порывы ветра показаны на рис. 9. Красные стрелки указывают известные события движения горных пород; были и другие события движения, не зафиксированные прямыми наблюдениями. События движения 1 и 2 зафиксированы приборами, а для событий 2-4 были проведены прямые наблюдения. Наблюдение с помощью камеры замедленного действия показало, что 23 ноября выпало 20 см снега. Общее количество осадков, вероятно, занижено, поскольку наша метеостанция не регистрирует снежные осадки.

Данные установленной метеостанции и снимки, полученные с помощью камеры замедленного действия, показали, что единственное значительное количество осадков выпало 21-24 ноября, когда во время регионального зимнего шторма выпало в общей сложности 3,61 см дождя и 20 см снега (рис. 5). Если принять консервативный эквивалент снега/воды для температуры 0°C равным 20 см снега/2,03 см жидкой воды, то общее количество осадков составило 5,64 см. Образовавшийся пруд неоднократно замерзал, когда ночные температуры опускались ниже нуля в течение большинства дней, вплоть до конца наших наблюдений 9 января 2014 г., когда пруд всё ещё покрывал 1/4 поверхности плайи. В итоге ко второй неделе февраля 2014 года пруд полностью изпарился.

Наблюдаемое движение блоков произходило в солнечные, ясные дни, после ночей с отрицательными температурами. Устойчивый легкий ветер и утреннее солнце ближе к середине дня вызывали разрушение плавучего льда, сопровождавшееся широко раззававшимися звуками треска от разламывающихся ледяных панелей. Первоначально лёд разбивался на плавающие панели размером в десятки метров, которые по мере таяния становились всё более раздробленными и разделяемыми открытой рябью воды. Плавающие ледяные панели, движимые ветром и текущей водой, толкали камни, покоящиеся на поверхности плайи, в некоторых случаях перемещая за одно событие более 60 камней (фото 2).

Фото 8(a) тонкий оконный лёд над недавно сдвинувшимся камнем (9 января 2014 г.),

Во время перемещений "бегуны" двигались медленно и несколько эпизодически. Например, 9 января 2014 г. в 12:50 дня в течение примерно 18 секунд наблюдалось перемещение камня со скоростью 1-2 м/мин (фото 1). Этот камень толкала ледяная панель длиной около 5-8 м, разположенная выше камня по течению.

Наши приборы зарегистрировали движения камней 4 декабря и 20 декабря 2013 г.. Зарегистрировано движение двух камней 4 декабря: один след длиной 65,6 м (A3; масса камня 16,6 кг), другой - 64,1 м (A6; масса камня 8,2 кг). Оба перемещения продолжались 16 минут, начавшись в 11:05 утра по местному времени. Изначально камни находились на разстоянии -153 м друг от друга и начали движение с интервалом в 6 секунд один после другого. Оба камня сначала достигли скорости 5-6 м/мин, которая через 6 минут после начала движения снизилась до 3-4 м/мин. Событие 20 декабря зарегистрировано одним камнем (Al 1; масса камня 15,4 кг), который переместился на 39,1 м за 12,3 минуты, начиная с 11:37 утра. Сначала камень развил скорость 2-3 м/мин, затем, через 4 минуты движения почти остановился, возобновил движение через минуту и двигался со скоростью 5 м/мин до конца события.

Ф8(b) вода ползёт по северному берегу пруда с низким уклоном во время перемещения скалы 20 декабря 2013 года (11:15 утра),

Анализ ошибок показывает, что для каждого камня погрешность в определении скорости обычно составляет <0,3 м/мин. Скорости камней согласуются с временными снимками и наблюдениями 21 декабря и 9 января (фото 1). Движения камней in situ были обнаружены путём наблюдения за положением движущихся камней относительно неподвижных. Однако при случайном наблюдении низкие скорости затрудняют обнаружение движений. Следы камней образуются подо льдом и становятся видимыми только тогда, когда мутная вода сдувается легким ветром.

При столкновении с камнями плавучий лёд часто разламывается, образуя ниже по течению от неподвижных и движущихся камней волны открытой воды, заполненные ледяной крошкой (фото 8d). У крупных камней выше их по течению также скапливаются ледяные щиты, увеличивая эффективную площадь поверхности камней, подвергающихся воздействию льда с этой стороны, а также воды, текущей подо льдом (фото 8a). Разкалывание ледяных щитов может мгновенно остановить движение пород, что может объяснить движение одной породы, а не другой в эксперименте Шарпа и Кери "Коррал", в котором один камень выходил из круга кольев, вбитых в поверхность плайи, а другой оставался позади. Действительно, в эксперименте Шарпа и Кэри прямо перед неподвижным камнем находился кол, который мог разбить движущийся лёд до того, как тот столкнулся с неподвижным камнем. Плавучий лёд иногда может быть неэффективным в перемещении камней, поскольку камни с низким профилем могут быть им просто перевёрнуты; камни на краях ледяных панелей могут не в достаточной степени взаимодействовать с плавучим льдом, чтобы переместиться, и камни могут быть слишком массивными для имеющейся силы льда и воды (фото 8d).

Фото 8(c) ледяные валы на восточном берегу Гоночной плайей рядом с метеостанцией (13:00, 20 декабря 2013 г.); толщина ледяных панелей составляет 2-3 мм, они перемешаны с грязью и камнями, вымытыми со дна пруда,

При движении льда образуются следы камней, которые могут быть поразительно похожими (друг на друга), как это наблюдалось во время события 20 декабря (фото 2). Треки камней, разположенные на разстоянии 50-60 м друг от друга, имеют в целом схожие повороты и длину отрезков между поворотами, хотя могут отличаться в деталях. Однако некоторые камни также двигались мимо неподвижных скал, а общая длина пути для камней, изначально бывших по соседству, различалось на десятки метров. Эти контрасты в поведении пород согласуются с наблюдениями, согласно которым образующиеся во льду трещины могут создавать разницу в истории движения камней, находящихся друг от друга на разстоянии десятков сантиметров, в то время как иногда могут произходить совпадающие движения бегунов, разнесённых на десятки метров.

Плавающие ледяные покровы при разрушении изначально очень велики, поэтому конгруэнтные следы пород могут отражать движение на ранних этапах перемещения, пока крупные ледяные панели ещё не раздробились, как предполагают Рид и др. Однако частично коррелированное движение может произходить и у камней, толкаемых соседними ледяными щитами, поскольку силы щитов всё еще могут передаваться при сжатии их по трещинам, что объясняет частично параллельные трассы пород, наблюдаемые Мессиной и Стоффером.

Наконец, фактором, определяющим, какие породы движутся, а какие нет, является глубина воды. Наблюдалось, что лёд плавает или скользит по камням с низким профилем (невысокими), которые могут оставаться при этом неподвижными, в то время как другие соседние, более высокопрофильные, камни движутся. Поэтому низкопрофильные могут иметь более короткий след (или вообще не двигаться), в то время как более высокопрофильные, по мере продвижения на большую глубину, остаются "на связи" с плавающим льдом.

Ф8(d) камень, который движется слева направо, прорезающий след во льду; на переднем плане открытая вода с рябью (9 января 2014 г.). Изображения обрезаны, но не подвергались другим видам редактирования.

Неожиданностью является тонкость льда, участвующего в движении пород. Толщины льда в 3-6 мм недостаточно для того, чтобы плавающие камни оторвались от поверхности плайи, как это предлагается в некоторых моделях, и в любом случае наблюдалось, что лёд тает сначала вокруг камней. Однако движущиеся листы льда протяжённостью в десятки метров, но толщиной всего в несколько миллиметров, очень эффективно перемещают камни на своём пути. Силы, действующие на камни, возрастают, когда несколько листов льда нагромождаются на камень со стороны, что выше по течению, и увеличивают эффективную площадь поверхности его, подвергающейся воздействию ветра и текущей воды (фото 8а). Такие ледяные нагромождения способны вытаскивать со дна озера большое количество ила и камней на береговую линию, что хорошо известно на примере озёр и рек умеренной зоны. Действительно, нагромождения льда (такие, как были зарегистрированы в северных озёрах) создали насыпи осаждений высотой 30-50 см на большей части юго-восточного и юго-западного побережья, где высота плайи самая низкая, а пруды наиболее устойчивы (фото 8c).

Движение камней коррелирует с ветровым переносом воды из южной зоны плайи на северную окраину при устойчивых лёгких ветрах 3,0-4,5 м/с (рис. 5). Во время известных событий, связанных с перемещением блоков, наблюдались и более сильные порывы ветра (до 8,4 м/с), но, по-видимому, устойчивые ветры необходимы для поддержания в движении как ледяной корки, так и жидкой воды пруда до полного таяния льда. 20 декабря 2013 г. в середине дня мы наблюдали, как вода заливала северную береговую линию пруда со скоростью 60-100 см/минуту, постепенно перемещаясь из южной части пруда (где находится большинство камней) в северо-восточную. Ветры нагнали воду на северную береговую линию пруда-плейа с низким уклоном, затопив её на глубину 1-2 см (фото. 8б).

Небольшая глубина воды на северном берегу и альбедо подстилающего ила пруда, вероятно, объясняют, что лёд здесь разтаял до того, как произошёл широкомасштабный ледостав, создав большое пространство жидкой воды для воздействия ветра и область открытой воды для движения льда. Во время события 20 декабря 2013 г. глубина пруда, прилегающего к южному берегу, уменьшилась с 7 см толщи мутной, почти непрозрачной воды в утренние часы до 1 см глубины к 15:10. Когда же лёгким южным ветром вода была унесена на север, обнаружилось более 60 свежих каменных троп (фото. 2), .

Снимки, сделанные с 2007 года, обычно с конца ноября по начало марта, показывают, что условия, которые мы наблюдали, довольно редки. Снегопады 2-3 января 2011 года и 27 февраля 2011 года накрыли плайю на несколько дней, но не привели к наводнению. В начале 2012 года на холмах вблизи плайи выпало несколько снежных пылинок, но на южной оконечности плайи более чем кратковременного увлажнения не было. Зима 2012-2013 гг. также была практически сухой. Хотя в конце зимы 2010 года наблюдался период наводнения продолжительностью 30 дней, температура в этот период редко опускалась ниже нуля, и льда почти не наблюдалось. Единственный период, когда наблюдались условия, сравнимые с теми, при которых мы наблюдали движение камней, - это 10-15 февраля 2009 года. Предполагается, что в этот сезон образовалась одна небольшая тропа.

Устойчивый водоём может поддерживать множество движений; камни, за которыми наблюдали с помощью GPS, продемонстрировали как минимум два отдельных движения с общей длиной тропы для одного камня до 224 м. Метеостанция, разположенная рядом с плайей, зарегистрировала несколько ночных заморозков и последующие эпизоды устойчивого дневного ветра 3,0-4,5 м/с, что говорит о том, что за месяц существования пруда 2013-2014 гг. могло произойти больше событий перемещения камней, чем запечатлили. Действительно, постоянство пруда объясняет, почему авторы и другие изследователи наблюдали несколько сегментов следов одного камня, разделённых "ситцевыми" метками, когда он, очевидно, был неподвижен в течение некоторого времени. Свежий вид многих из этих участков тропы, образованных одной породой, скорее всего, отражает короткий период (дни или недели) между перемещениями породы, а не события, разделенные многими годами. Аналогичным образом, изменения векторов ветра и водных потоков в разные дни могут объяснить часто встречающиеся повороты под большим углом между различными участками тропы, образованными одним камнем.

Удивительно, что даже тонкий лёд способен перемещать большие камни без плавучего подъёма. Кроме того, авторы отметили, что большинство камней ледяные "бульдозеры" перемещали скользящим движением, а не катящимся , возможно, потому, что движение произходит с низким коэффициентом трения на поверхности, полностью насыщенной грязью. Движение горных обломков на Racetrack Playa похоже на движение камней в более глубоких озёрах и морских бассейнах, где ледоход - регулярное весеннее явление. Например, известно, что движение камней, в том числе крупных валунов, под действием льда приводит к образованию каменных троп на мелководном дне Большого Невольничьего озера на севере Канады и на берегах Балтийского моря. Лёд также, вероятно, объясняет появление каменных троп на обычно сухих поверхностях озер в Испании и Южной Африке, где относительно большая высота над уровнем моря и холодные зимы способствуют образованию плавучего льда.

Выводы

Необходимым условием для наблюдаемого авторами движения камней является наличие бассейна плайи, достаточно глубокого, чтобы погрузить южную часть плейа, но достаточно мелкого, чтобы оставить на поверхности пруда многие камни частично обнажёнными. Другие повторяющиеся особенности наблюдаемых авторами событий движения камней включают наличие плавающего льда, температуру и солнечный свет, достаточные для образования талых луж во льду, и легкий бриз, достаточно устойчивый, чтобы приводить в движение плавающий лёд. Хотя лёд вокруг камней разрушается, даже тонкие движущиеся льдины могут генерировать силу, достаточную для перемещения камней через бассейн. Все наблюдаемые случаи перемещения камней произходили ближе к середине дня, когда таяние льда было достаточным для его разрушения.

Наблюдать за образованием каменных троп сложно, поскольку они формируются под поверхностью бассейна, покрытой льдом, где они часто не видны до тех пор, пока лёд не растает, а жидкая вода не будет удалена. Кроме того, движение камней произходит медленно и относительно недолго - по данным GPS-приборов камни двигались со скоростью 2-5 м/мин в течение 16 минут, поэтому при случайном наблюдении их движения могут быть пропущены. Данные метеостанции показывают, что в течение нескольких самых холодных недель зимы мороз, необходимый для образования льда, и ветер со скоростью более 3-5 м/с - обычное явление на на Гоночной плайе. Таким образом, чрезвычайно эпизодическое возникновение движения камней (от нескольких лет до десятилетий), скорее всего, связано с нечастыми дождями или снегопадами, достаточными для образования зимних водоёмов.

Ещё одна дополнительная информация