De natuur zit vol met herhalende patronen die deel uitmaken van de schoonheid van onze wereld. Een internationaal team, waaronder een onderzoeker van de Universiteit van Washington, gebruikte moderne hulpmiddelen om herhalende patronen van stenen die zich in koude landschappen vormen, uit te leggen.

De nieuwe studie, gepubliceerd op 5 oktober in de Proceedings van de National Academy of Sciences , gebruikt experimentele hulpmiddelen om te laten zien hoe ijsnaalden die willekeurig op bevroren grond groeien, stenen geleidelijk in normale, herhalende patronen. Het team, voornamelijk gevestigd in China en Japan, gebruikt een combinatie van nieuwe experimenten en computermodellering om deze opvallende kenmerken te beschrijven met nieuwe theoretische inzichten.

"De aanwezigheid van deze verbazingwekkende patronen die zich ontwikkelen zonder enige tussenkomst van de mens is behoorlijk opvallend van aard, " zei co-auteur Bernard Hallet, een UW emeritus hoogleraar aard- en ruimtewetenschappen en lid van het Quaternair Onderzoekscentrum. "Het is als een Japanse tuin, maar waar is de tuinman?"

Hallet is gespecialiseerd in het bestuderen van de patronen die zich vormen in poolgebieden, hooggebergte en andere koude omgevingen. Een van de redenen voor de patronen is naaldijs. Naarmate de temperatuur daalt, het vocht in de grond groeit uit tot pieken van ijskristallen die uit de grond steken.

"Als je na een ijskoude nacht de achtertuin in gaat en je voelt een beetje knarsen onder de voet, je loopt waarschijnlijk op naaldijs, ' zei Hallet.

Als naaldijs zich vormt, heeft het de neiging om gronddeeltjes op te drijven, en als die er zijn, kleine stenen. Er kan zich meer naaldijs vormen op stukken kale grond in vergelijking met met rotsen bedekte gebieden, zei Hallet. De ijsnaalden zullen de resterende stenen in het kale gebied enigszins verdringen. Over jaren, de stenen beginnen in groepen te clusteren, de kale plekken in wezen steenvrij achterlatend.

"Dat soort selectieve groei omvat interessante terugkoppelingen tussen de grootte van de stenen, het vocht in de bodem en de groei van de ijsnaalden, ' zei Hallet.

Hallet had eerder een ander wetenschappelijk artikel van eerste auteur Anyuan Li beoordeeld, voorheen aan de Shaoxing University en nu aan de University of Tsukuba in Japan. De twee begonnen een samenwerking die Hallet's jarenlange expertise in het onderzoeken van patronen in de natuur combineert met Li's en zijn medewerkers' achtergrond in experimentele wetenschap en computermodellering.

Senior auteur Quan-Xing Liu van de East China Normal University gebruikt veldwerk en laboratoriumexperimenten om zelfgeorganiseerde patronen in de natuur te begrijpen. Voor deze studie is de experimentele opstelling was een vlak vierkant van natte grond van iets meer dan 1 voet aan elke kant (0,4 meter) dat begon met stenen die gelijkmatig op het oppervlak waren verdeeld. De onderzoekers lieten het experiment 30 vries-dooicycli doorlopen. Tegen het einde van die tijd, regelmatige patronen begonnen te verschijnen.

"De video's zijn behoorlijk opvallend, en ze laten zien dat het ijs gewoon omhoog komt en in een enkele cyclus stenen omhoog duwt en ze iets opzij beweegt, Hallet zei. "Vanwege die experimenten en de capaciteiten van de betrokken personen om die resultaten te analyseren, we hebben veel meer tastbaar, kwantitatieve beschrijvingen van deze kenmerken."

Verdere experimenten keken hoe het patroon veranderde afhankelijk van de concentratie van stenen, de helling van de grond, en de hoogte van de ijsnaalden, die ook wordt beïnvloed door de steenconcentratie. Op basis van die resultaten, de auteurs schreven een computermodel dat voorspelt welke patronen zullen verschijnen, afhankelijk van de concentratie van stenen op het vorstgevoelige oppervlak.

Andere co-auteurs van de nieuwe studie zijn Norikazu Matsuoka van de Universiteit van Tsukuba; Fujun Niu aan de South China University of Technology; Jing Chen en Wensi Hu aan de East China Normal University; Desheng Li aan de Shanghai Jiao Tong University in China; Johan van de Koppel aan de Rijksuniversiteit Groningen in Nederland; en Nigel Goldenfeld aan de Universiteit van Californië, San Diego.