这是冰针如何将图案雕刻成寒冷的岩石景观

整齐的圆环、条纹和漩涡点缀着许多寒冷的岩石景观。虽然这些美丽的石纹看起来像是人造艺术品，但它们都是天然的。科学家们早就知道这种岩石图案是由冷冻和融化造成的。但它们究竟是如何发展的一直是个谜——直到现在。

日本筑波大学的AnyuanLi及其同事在10月5日的美国国家科学院院刊上报告说，新的实验表明所谓的“冰针”可以将岩石分类和组织成多种模式。

“[我们的]实验的美妙之处在于，你实际上可以看到关于图案如何形成的直接信息，”西雅图华盛顿大学的BernardHallet说，他研究了世界各地地表岩石的自然图案。

研究人员将鹅卵石铺在装有潮湿细粒土壤的平底锅上，然后一遍又一遍地冻结和解冻这个迷你景观。当潮湿的土壤还没有结冰但气温降到冰点以下时，细小的针状冰柱从土壤中冒出来。这些冰针，每根都有几厘米高，可以举起上面的任何石头。当温度再次升高时，冰崩塌，石头滚落。因为冰针在生长时会弯曲，所以石头往往会从冰冷的基座上掉到一边。

经过多次冻融循环，冰针清除了裸露的土壤。由于在路上岩石较少的地方更容易形成针头，因此它们可以更有效地清除任何剩余的鹅卵石。石头逐渐在无石头区域之间洗牌成簇，形成更大的图案。研究合著者、上海华东师范大学理论生态学家刘全兴说，建立在景观之上的模式“在很大程度上取决于其[当地石头]浓度”。

在实验室实验中，该团队“能够在30次冷冻循环后获得模式，”Hallet说。这可能相当于30个寒冷的夜晚——或者30年，如果每次结冰都持续整个冬天的话。Hallet说，在现实世界中，某些模式可能需要“数千年，甚至数万年才能形成。”

研究人员利用土壤实验的观察结果，建立了冰针景观的计算机模拟。该模拟可以预测石块在各种条件下在开放环境中的移动。模拟证实，图案形成的速度取决于石材覆盖层的密度等因素。图案的形状和形成率还与土壤的湿度、地面的倾斜度以及冰针的生长高度有关。

随着实验室制作的微型景观经历多次冻融循环，冰针形成并坍塌，逐渐将石头打乱成一束，形成更大的图案。

“我们在不同的系统中看到相同的模式，例如流体，”哈莱特谈到岩层时说。具有不同特性或尺寸的材料通常一开始就全部混合在一起，但不会保持这种状态(SN：4/22/21)。相分离是将这些混合物转变为模式的过程。这项新研究是首批展示相分离如何应用于景观的研究之一。

未参与这项工作的纽约罗彻斯特大学地质学家RachelGlade说，这项研究中实验和计算机建模的结合提供了一种新方法来联系自然景观的形成方式及其材料的行为方式。她补充说，这种方法“对于我们理解复杂材料至关重要”，它可以帮助我们了解地貌如何在气候变化中以不同方式演变。

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