Naturen är full av upprepande mönster som är en del av vår världs skönhet. Ett internationellt lag, inklusive en forskare från University of Washington, använde moderna verktyg för att förklara återkommande mönster av stenar som bildas i kalla landskap.

Den nya studien, publicerad 5 oktober i Förfaranden från National Academy of Sciences , använder experimentella verktyg för att visa hur nålar av is som växer slumpmässigt på frusen mark gradvis kan flytta stenar till vanliga, upprepande mönster. Laget, huvudsakligen baserat i Kina och Japan, använder en kombination av nya experiment och datormodellering för att beskriva dessa slående funktioner med nya teoretiska insikter.

"Förekomsten av dessa fantastiska mönster som utvecklas utan ingripande från människor är ganska slående i naturen, " sa medförfattaren Bernard Hallet, en UW -professor emeritus i jord- och rymdvetenskap och medlem av Quaternary Research Center. "Det är som en japansk trädgård, men var är trädgårdsmästaren? "

Hallet specialiserar sig på att studera de mönster som bildas i polarområden, höga berg och andra kalla miljöer. En av anledningarna till mönstren är nålis. När temperaturen sjunker, fukten som finns i jorden växer till spikar av iskristaller som sticker ut från marken.

"När du går ut på bakgården efter en iskall natt och du känner ett litet knas under foten, du går förmodligen på nålis, sa Hallet.

När nålis bildas tenderar det att pressa upp jordpartiklar, och om det finns några, små stenar. Mer nålis kan bildas på fläckar av bar jord jämfört med bergtäckta områden, sa Hallet. Isnålarna kommer något att förskjuta eventuella kvarvarande stenar i barerområdet. Över åren, stenarna börjar samlas i grupper, lämnar de kala fläckarna i huvudsak stenfria.

"Den sortens selektiv tillväxt innebär intressanta återkopplingar mellan storleken på stenarna, fukten i jorden och tillväxten av isnålarna, sa Hallet.

Hallet hade tidigare granskat en annan vetenskaplig uppsats av författaren Anyuan Li, tidigare vid Shaoxing University och nu vid University of Tsukuba i Japan. De två inledde ett samarbete som blandar Hallets mångåriga expertis som undersöker mönster i naturen med Li och hans medarbetares bakgrund inom experimentell vetenskap och datormodellering.

Seniorförfattaren Quan-Xing Liu vid East China Normal University använder fältarbete och laboratorieexperiment för att förstå självorganiserade mönster i naturen. För denna studie, experimentuppsättningen var en platt kvadrat med våt jord lite över 1 fot på varje sida (0,4 meter) som började med stenar som var jämnt fördelade på ytan. Forskarna körde experimentet genom 30 frys-upptiningscykler. Vid slutet av den tiden, regelbundna mönster hade börjat dyka upp.

"Videorna är ganska slående, och de visar att isen precis kommer upp och i en enda cykel trycker den upp stenar och flyttar dem något åt ​​sidan, ", sa Hallet. "På grund av dessa experiment och förmågan hos de inblandade individerna att analysera dessa resultat, vi har mycket mer konkret, kvantitativa beskrivningar av dessa egenskaper."

Ytterligare experiment tittade på hur mönstret förändrades beroende på koncentrationen av stenar, markens sluttning, och höjden på isnålarna, som också påverkas av stenkoncentrationen. Baserat på dessa resultat, författarna skrev en datormodell som förutspår vilka mönster som kommer att visas beroende på koncentrationen av stenar på den frostbenägna ytan.

Andra medförfattare till den nya studien är Norikazu Matsuoka vid University of Tsukuba; Fujun Niu vid South China University of Technology; Jing Chen och Wensi Hu vid East China Normal University; Desheng Li vid Shanghai Jiao Tong University i Kina; Johan van de Koppel vid University of Groningen i Nederländerna; och Nigel Goldenfeld vid University of California, San Diego.