Den mjölkiga, slät konsistens av strandglas framkallar en historia av turbulenta transporter, grova kanter slits bort för att skapa kurvor. Samma släta egenskaper kan ses i flodstenar och sanddyner.

Kombinera matematiska modeller med laboratorieexperiment och fältmätningar från en flod, ett hav, och ett dynfält, ett team ledt av University of Pennsylvania geofysiker Douglas J. Jerolmack har funnit att samma allmänna processer styr avrundningen av de olika partikeltyperna. De rapporterade sina fynd i tidningen Vetenskapliga framsteg .

"Vi visar den vindblåsta sanden, flodstenar, och vågbearbetade stenar runt om på samma sätt genom att kollidera, "Säger Jerolmack." Och, viktigare, vi visar hur naturen väljer ut de förhållanden som leder till detta universella beteende. "

De matematiska modellerna som förklarar universaliteten i denna evolution har skapats under de senaste decennierna, i ansträngningen att bevisa Poincaré -gissningen, ett stort genombrott i ren matematik. Det visar sig att samma ekvationer har en sekund, inte mindre intressant tolkning som modeller för naturlig formutveckling.

Att utveckla denna allmänhet om hur partiklar kan runda kan hjälpa forskare att sammanfoga historien om andra partiklar, en strategi Jerolmack och kollegor använde för att rekonstruera transporthistorien för småsten på Mars i en artikel från Nature Communications 2015 som bekräftade sannolikheten för flytande vatten på den planeten.

Arbetet kan också göra det möjligt för forskare att spåra de sedimentbitar som flisas av större partiklar. Liten men mäktig, dessa korn bygger våtmarker, översvämningar, och stränder, som påverkar allt från orkanresiliens till jordbruksproduktivitet.

Forskargruppen, som inkluderade Gábor Domokos, en matematiker vid Budapest University of Technology and Economics, och Tímea Novák-Szabó, en postdoktoral forskare som har tillbringat tid i laboratorierna i både Jerolmack och Domokos, hade tidigare funderat på hur flodstenar rundade. I tidigare studier visade de att dessa partiklar först blir släta när de studsar nerför en flodbotten, deras skarpa hörn flisar av, och sedan bli mindre när de fortsätter att kollidera med andra partiklar.

I det nya arbetet, de visar hur enkel geometri förutsäger en gemensam formutveckling för de flesta sediment, oavsett om det är sandkorn som blåses av vinden, kalkstenblock som krockar i en roterande trumma i ett laboratorium, eller stenar som knackades av havsvågor.

Använda datauppsättningar från New Mexicos White Sands -sanddyner, en Puerto Ricas flodbotten, en italiensk strand, och Domokos lab, forskarna visade att deras premiss stämde:Kollisioner med andra partiklar fick alla dessa partiklar att runda på ett identiskt sätt.

Likheterna uppstår på grund av begränsningar av partiklar som reser längs en bädd - vare sig det är en flod, en sanddyn, eller ett hav - dela. Dessa partiklar, fann forskarna, tenderar att uppstå som långsträckta former, kolliderar med partiklar av liknande storlek, och gör det med en kraftnivå som gynnar avslagning av små fragment av sediment, i motsats till större krafter som kan få en partikel att splittras i stora bitar, eller svaga krafter som skulle slita bort en yta som sandpapper.

Med denna allmänna regel nu till hands, forskarna har de matematiska verktygen de behöver för att rekonstruera transporthistoriken för alla sedimentpartiklar baserat på dess form, förbättra deras förmåga att förutsäga landskapets utveckling över tid.