약 5 세기 전, 레오나르도 다빈치 (Leonardo Da Vinci)는 아르노 강을 조사했는데, 아마도 니콜 마키아 벨리 (Niccolò Machiavelli)와 함께 고안된 계획에 대한 조사를 위해 전략적으로 중요한 수로를 피사에서 피렌체로 돌리었다. 그들의 웅대 한 계획은 결코 앞으로 나아 가지 않았습니다. 그러나 그 과정의 어느 시점에서 Da Vinci는 전체 수 문학적 시스템이 위에서 어떻게 보일지 상상했습니다.
그는 아르노의 주요 줄기를 스케치했으며, 상류 가지로 나뉘 었습니다. 그런 다음 그 지점 자체가 분기되어 전체 네트워크를 공급하는 작은 거미 정맥으로 튀어 나왔습니다. 다빈치 에게이 패터닝은 의심스럽게 살아 보였다. 그는 강 네트워크는 별도의 순환계였으며“지구의 피”를 지니고있다.
.오늘날, Branching River Networks는 여전히 설명자를 유혹 할 것입니다. 많은 사람들이 이러한 일반적인 패턴을 에칭하는 기본 수학적 코드를 엿볼 수 있기를 희망합니다. 쉬운 업적은 아닙니다. 지형 학자들은 강 네트워크가 순종하는 것처럼 보이는 통계 법칙을 오랫동안 측정 해 왔습니다. 예를 들어, 유역을 통과하는 가장 긴 스트림은 0.6의 힘으로 올라간 유역의 영역에 비례하는 것으로 보입니다. 그러나 이러한 일반적인 법칙은 실제로 네트워크를 형성하는 것에 대한 통찰력을 제공하지 않았습니다.
또 다른 문제는 현실 세계가 세부적으로 스키를 타지 않는다는 것입니다. 비의 양, 비가 내리는 구석 구석, 구석 구석, 침식하기 시작하는 정확한 퇴적물, 채널 은행을 줄이되는 나무, 아래에서 상승하는 수위는 장소와 시간에 따라 다릅니다. 그리고 그들은 모두 중요 할 수 있습니다.
그러나 최근에는 강 네트워크를 건설하기위한 기본 레시피가 구체화되기 시작했습니다. 매사추세츠 기술 연구소 (Massachusetts Institute of Technology)의 지구 물리학자인 다니엘 로스 만 (Daniel Rothman)이 이끄는 팀은 지난 몇 년 동안 기본적이고 거의 유비쿼터스 성장 패턴이 젖은 토양에 새겨진 강 네트워크의 모양을 설명 할 수 있다고 주장했다.
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그들은 모델을 칠판을지나 현장으로, 그리고 더 최근에는 지구의 강 유역의 소란스럽고 시끄러운 전체를 가로 질러 가져 왔습니다. 이제 그들은 화성과 아마도 토성의 문 타이탄으로 더 멀리 떨어져있는 것으로 보이며, 각각은 신비한 분기 채널을 주최합니다. 그들의 기본 수학은 항상 작동하지 않지만 널리 작동합니다. 그리고 그것이 작동하지 않는 곳에서,이 팀은 그 분류가 기본 환경 조건에 대한 자체 힌트를 제공한다고 믿는다.
그 외에도, 강 네트워크에 대한 그들의 레시피는 또한 특정 미적 품질을 제공합니다. 미네소타 대학교의 지질 학자 인 크리스토퍼 파올라 (Christopher Paola)는“수학은 아름답다”고 말했다. “화려 해요.”
범프에서 분기까지
Rothman이 옳다면, 그의 팀의 작업은 자연 전체에서 발견 된 매우 유사한 분기 패턴에 강 네트워크 또는 적어도 그 중 일부를 추가 할 것입니다. 이 시스템은 모두 수학자들이 라플라시안 성장이라고 부르는 것을 따릅니다. 가까이에서 분석 된 눈송이는 라플라시안 성장을 통해 대칭성처럼 보이는 결정질 구조를 돋아냅니다. 이 과정은 또한 전류가 틈새를 가로 질러 도약 할 때 전류가 취하는 분지 패턴, 페트리 접시에서 박테리아 식민지가 어떻게 퍼지는 지, 광물이 전 세계의 바위에서 화석처럼 보이는 정맥, 수지상 패턴으로 자라는 방법을 예측합니다.
.각각에서, 범프가 부드러운 경계의 불완전 성에서 발생하면 패턴이 자랍니다. 신생아 눈송이의 표면을 고려하십시오. 변함없이, 부드러운 가장자리로 시작하는 것은 약간의 부딪 히게 될 것입니다. 그 범프는 액체에 약간 튀어 나올 것입니다. 거기에서, 범프는 주변 물에 열을 조금 더 빨리 잃게됩니다. 그것은 식고 조금 더 많은 물이 그 위에 얼립니다. 시간이 지남에 따라 범프가 자라서 더 큰 범프를 형성합니다. 그 과정은 계속되고 곧 원자 불완전 성이 결정 분지로 확장됩니다.
세부 사항은 라플라시안 시스템마다 다르지만 규칙은 동일합니다. 성장은 성장을 겪습니다. 범프는 가지를 만듭니다. 지점은 팁에서 계속 자랍니다. 결국, 가지는 같은 과정을 통해 자신의 충돌을 일으킬 수 있습니다. 그것은 작은 규모로만 부모 가지와 동일한 모양을 복사하는 새로운 가지를 만들 수 있습니다.
Rothman의 팀은 오랫동안 모든 분명한 자연 분기 패턴의 할아버지 인 특정 강 네트워크 가이 유명한 그룹에 속한다고 주장했습니다. 그러나 패턴 사냥꾼에게 문지름은 단순한 규칙이 실제로 지저분한 현실로 이어진다는 것을 보여주는 것입니다.
강은 자랍니다
Rothman의 그룹은 플로리다 팬 핸들의 브리스톨 마을 근처에서 개념 증명을 발견했습니다. 그곳에서 방대한 채널 네트워크가 물을 아 팔라 치콜라 강으로 공급합니다.
수지상 채널 팁으로 끝나는 네트워크 자체는 천천히 강에서 멀어지고 있습니다. 채널 팁이 커지면서 그들은 2 백만 년 된 모래로 자릅니다. 성장하는 팁마다 지하수는 표면으로 튀어 나옵니다. 눈송이가 커지는 냉수와 마찬가지로 라플라시아 성장에 적합한 환경입니다.
산타 바바라 (Santa Barbara) 캘리포니아 대학교 (University of California)의 지형 학자 인 토마스 던 (Thomas Dunne)의 지하수 중심 침식 작업을 바탕으로 Rothman 팀은 간단한 수학이 이러한 상황을 설명 할 수 있는지 여부를 테스트하기 시작했습니다. 그들은 플로리다로 날아가서이 흐름을 통해 슬로 러스로 물이 개별 채널을 통해 흐르는 속도를 측정했습니다. 그런 다음 그들은 지상 침투 레이더를 사용하여 아래 수위의 높이를 확인했습니다.
그런 다음 실제 장면을 지난 몇 년 동안 스케치 한 상세한 이론적 예측과 비교하기 시작했습니다.
지금까지, 그들은 계곡 머리의 둥근 모양, 그들이 자라는 지침, 그리고 이번 여름에 출판 된 논문에서 지점의 크기가 포함 된 방법을 예측하고 확인했습니다. 그러나 아마도 가장 광범위한 결과는 간단한 질문을 다룹니다.
라플라시아 성장의 논리는 답을 제공합니다. 단일 성장하는 채널의 끝에 가깝게 확대되는 것을 상상해보십시오. 여기서 지하수는 여러 방향에서 채널로 흐릅니다. 그렇듯이, 물은 모래 곡물을 함께 잡아 당깁니다. 로스만은“내려 가서 볼 수있다”고 말했다. "한 번에 하나의 모래 곡물이 봄을 떠나고 있습니다." 누락 된 곡물은 채널을 약간 연장합니다.
이 팀의 현재 추론은 스트림이 지하수 흐름을 가장 유치하는 방향으로 성장한다고 주장합니다. 예를 들어, 채널 헤드의 오른쪽에서 더 많은 물이 들어가면 채널이 오른쪽으로 변합니다. 머지 않아 지하수가 대칭으로 흘러가는 방향을 가리 킵니다. 여기서 양쪽에서 같은 양의 물을받습니다.
.이제 하나의 스트림이 2 개로 나뉘어지고 각각의 새로운 팁이 여전히 가장 큰 지하수 흐름을 그리는 방향을 찾고 있다고 상상해보십시오. 경쟁 효과는 분할 각도를 결정합니다. 각도가 넓어지면 각각의 새로운 팁은 안쪽으로 구부려 지하수 흐름을 모 스트림으로 극대화하는 방향으로 돌아갑니다. 그리고 각도가 좁다면 두 팁이 서로의 지하수를 빨아 들여 바깥쪽으로 구부릴 것입니다.
대신, 두 가지가 행복한 매체에서 자랍니다. 라플라시아 성장의 수학은이 둘 사이의 각도가 72도이어야하며, 이는 원 주위의 정확히 5 분의 1이어야한다고 예측합니다. (팀은 나중에 물리학 자들이 2000 년대 초에 다른 라플라시안 시스템을 고려하면서 같은 각도를 발견했다는 것을 깨달았습니다.)
그리고 현실은 함께 놀았습니다. Rothman과 팀원 Olivier Devauchelle, Alexander Petroff 및 Hansjörg Seybold는 복잡한 플로리다 네트워크의 스트림이 크기에서 작은 규모로 두 개의 지점으로 가득 찬 곳을 발견했습니다. 그런 다음 각 접합부의 각도를 측정했습니다.
4,966 개가 넘는 가지가 분석에 따르면 접합각은 평균 71.9도입니다. Seybold는 스위스 연방 기술 Institute of Technology Zurich에서“이것은 너무 가까워서 거의 믿을 수 있습니다.
플로리다 또는 근본적인 것?
그러나 플로리다는 종종 그렇듯이 그 자체의 특별한 경우 일 수 있습니다. 그렇습니다. 라플라시아의 성장은 팬 핸들에있는 강의 한 스트레치의 패터닝을 설명하는 것으로 보입니다. 그러나 세계의 다른 강은 어떻습니까?
플로리다 후, MIT 그룹은 미국 대륙 전역의 모든 괜찮은 크기의 스트림에 대한 미국 지질 조사 데이터베이스에서 분기 각도를 크게 보았습니다. 분기 각도는 크게 다르지만 전국의 절반은 약 72도 정도 클러스터링됩니다. 그리고 올 6 월, Seybold는 분석을 계속 확장하여 각도가 전 세계에 나타 났음을 보여주었습니다. 버몬트에서와 마찬가지로 아마존 열대 우림 (프랑스 기아나 국경 수리남)과 같은 장소에서도 잘 작동합니다.
Rothman은“우리가 얻은 결과가 지구상의 배수 네트워크의 절반에 표면적으로 적용 될 수 있다고 상상하지 못했습니다.
이 연구는 영역이 젖을수록,이 연구는 더 많은 분기 각도가 72도에 접근하는 것처럼 보였다. 지하수 테이블이 가장 습한 지역에서 가장 높고 플로리다 팬 핸들에서 발견되는 동일한 지하수 구동 메커니즘이 약간의 통제력을 발휘할 수 있기 때문일 수 있습니다.
.다른 지형 학자들은 더 설득력이 필요합니다. 그들은 로스 만 팀 이이 지역의 특유를 해결 한 플로리다에서 사건을 구매합니다. 그러나 그들은 분기 각도가 동일한 기본 성장 과정을 보여주기에 충분하다는 주장에 대해 더 회의적입니다. 버지니아 대학교의 지형 학자 인 앨런 하워드 (Alan Howard)는“플로리다의 시스템은 매우 특별한 시스템이라는 느낌입니다.
1980 년대 하워드는 미국 남서부의 사암에서 지하수를 공부하고 시뮬레이션하여 바위를 떠났다. "배수 패턴은 모래에 들어간 것과 매우 흡사 해 보였습니다." 그러나 모래와 사암 네트워크는 모두 공통점이 있습니다. 그들은 지하수가 지배하는 곳에서 발생합니다.
이 물에 담긴 풍경 외에도 지형 학자들은 전통적으로 지하수가 아닌 강수량으로부터 지표수를 잡고 있으며 대부분의 강 네트워크를 조각합니다. 지하수가 지배하는 드문 경우, 라플라시아 성장이 효과가있을 수 있습니다. 그러나 다른 곳에서는 메커니즘이 의미가 없습니다.
캘리포니아 기술 연구소 (California Institute of Technology)의 지질 학자 인 마이클 램 (Michael Lamb)은“그 그룹 이외의 지역에서 가장 비오는 곳에있는 강 네트워크가 강우보다는 지하수에 의해 형성되었다고 생각하는 사람은 없다고 생각합니다.
Paola는 그의 부분을 위해 공통 분기 각도를 가리 킵니다. 그는“72도는 마법이 아닙니다.”라고 그는 특유의 로컬 세부 사항도 효과가있을 수 있음을 인정했습니다. "그러나 그것은 나에게 보인다"며“Dan의 그룹이 놀랍게도 많은 경우에 그것을 만들기 위해 생각해 낸 아름답고 단순한 일반 이론에는 충분합니다.”
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또한 예외도 흥미 롭습니다. 뉴 멕시코와 같은 건조한 장소에서 네트워크는 약 45 도로 좁게 분기됩니다. 세이 볼드는 두 번째 각도는 이론에 의해 설명하기 위해“오랜 시간이 걸렸다”고 말했다. 그들은 여전히 특정 각도를 해결하지 못했지만 팀은 건조한 지역에서는 때때로 표면 유출이 더 좁은 접점으로 가파른 채널을 조각한다고 주장합니다.
그런 다음 새로운 가능성을 열었습니다. 습한 기후가 라플라시안 성장의 72도 서명으로 강 네트워크를 브랜드화 할 수 있다면, 그 시그니처의 부재는 다른 종류의 기후의 존재를 보여줄 수 있을까요?
화성 강
지구의 강 유역을 가로 질러 조사한 같은 6 월 연구에서 세이 볼드 팀도 더 멀리서 수색했습니다. 그들은 화성의 원격 감지 데이터를 보았습니다.
1970 년대에 바이킹 궤도는 처음으로 브랜치 밸리 네트워크가 화성에 새겨진 것을 발견했습니다. 현재의 추운 온도와 낮은 압력으로 인해 지표수가 오래 지속되지 않으므로 지형 학자들은 계곡이 지하수에 의해 침식 될 수 있는지 궁금해했습니다. Lamb은“내 마음에 우리는 완전한 원을 왔습니다
화성 계곡은 다른 최근 연구와 일치하는 미국 남서부와 같은 건조한 곳과 같은 좁은 각도를 보여 주었고, 새로운 작품은 고대 붉은 행성이 비교적 건조한 곳임을 시사합니다. 아마도 가끔 호우가 지하수가 아닌 화성 계곡을 조각했을 것입니다.
따라서 라플라시아의 성장은 과학자들을 유혹 한 분지 강 패턴 중 일부 또는 아마도 많은 것들을 조각 할 수 있지만, 현재는 적어도 다른 네트워크는 여전히 비밀을 유지하고 있습니다.
