A kavicsok, mint történelmi tanúk

A Curiosity szonda által küldött képek alapján biztosra vehető, hogy egykor volt folyó a Marson. Vagyis egykor ott is jelen volt az alapvető elem, amely az élet létezését is lehetővé teszi. A NASA ezt már régóta feltételezte, de biztosan csak a közelmúltban merték kijelenteni, éspedig magyar tudósok munkája nyomán. Ők ugyanis a kavicsok kopását vizsgáló, matematikai számítások alapján tudták ezt a tényt igazolni, amelyről a Nature Communications című szaklapban adtak hírt.

Szabó Tímea és egykori tanára, Domokos Gábor, a Gömböc egyik feltalálója, valamint az amerikai John P. Grotzinger (a Curiosity tudományos missziójának korábbi vezetőjével) és Douglas J. Jerolmack,  a University  of Pennsylvania geofizikusa együtt dolgoznak a marsi eredmények értékelésén, közös cikkükről itt lehet tájékozódni. De vajon miért éppen a kavicsok lettek a főszereplők?

A folyami kavicsok csak látszólag jelentenek összevisszaságban létező tárgyakat. Az alakjukból és a tömegük változásaiból még az őket körülvevő folyók sebességére és egyéb jellemzőire is lehet következtetni. Ráadásul nemcsak a Földön, hanem bármely más bolygón is.

A kavicsok sajátos alakváltozása

A kavicsok, vízközeli kövek formálódása, alakja (morfológiája) régóta foglalkoztatja az emberiséget. Az ókori, görög tudós, Arisztotelész is sokat töprengett azon, hogy vajon milyen szabályszerűségek rejlenek a kavicsok alakváltozásai mögött, hiszen ezek meglehetősen feltűnőek.

Azt bárki könnyen megállapíthatja, hogy a különféle anyagokból álló, lehasadó, vagy épp ellenkezőleg, homokszemcsékből összeálló töredékek kezdetben élekkel rendelkeznek és hegyesek is lehetnek. Később azonban a környezetük hatására egyre gömbölydedebbek, simábbak lesznek, míg végül a kavicsok szinte tökéletesen simákká és jellemzően ovális vagy gömb alakúakká válnak. És bár Arisztotelész még nem írt fel képleteket a folyamatok modellszerű rögzítéséhez, de már sok fontos tényezőt rögzített. Tisztázta például, hogy mivel a kavicsok kölcsönösen koptatják egymást, ezeket csak együttesen lehet szemlélni, és azt is figyelembe kell venni, hogy egymáson kívül még milyen erők mozdítják arrább őket, az évszázadok során (transzportjelenségek).

Felismerte, hogy a helyi hatások (szél, súrlódás, víz) mellett a geológiai folyamatoknak is döntő szerepük van abban, hogy mikor milyen alakú lesz egy kavics, és hogy egy adott pontjából nézve mekkora lesz például a görbülete. Az egyértelmű volt, hogy a látvány mögött ismétlődő szabályszerűségeket mutató folyamatok állnak, de mindezek matematikai összegzésére egészen a huszonegyedik századig kellett várni. Ebben vált úttörővé a magyar kutató és matematikus, Domokos Gábor, aki a matematikai modellalkotás munkájába a brit Garry Gibbonst is bevonta. A későbbiekben pedig amerikai kollégákkal is dolgozott.

Miért fontos, hogy legyenek egyenletek is erről?

A kutatások egyik kiindulópontja az volt, hogy a folyók medrében található kavicsok a felsőbb szakaszokon nagyobbak és töredezettebbek, míg az alsóbbakban többnyire kisebbek és gömbölyűbbek. A kavicsok felülete tehát itt láthatóan attól kopik simára, hogy a folyó sodorja őket. Annak azonban már csöppet sem ennyire egyértelmű az oka, hogy miért lesznek egyúttal kisebbek is a kövek az alsó szakaszokon. Ennek ugyanis több magyarázata is lehet. Egyfelől nyilvánvaló, hogy a kopás egyúttal csökkentheti is a méretüket, de az is lehet, hogy eleve csak a kisebbeket szállítja magával a víz, és lejjebb ezért van több a kisebbekből.

A víz két fázisban formálja át a köveket. Az elsőben csupán az éleiket faragja le, az alapvető méreteiken nem változtat. A második fázisban azonban már jelentősen csökkenti a méretüket, hogy végül eljuttassa a köveket a legtökéletesebb formához: a gömbhöz.

A kérdés tisztázása pedig azért fontos, mert ha ezt megtudjuk, akkor azt is pontosan le lehet írni, hogy mit jelentenek a kövek történetiségében a helyváltoztatások. Vagyis egy kő aktuális alakjából vissza lehet következtetni arra, hogy honnan indult, eddig mekkora távolságokat tett meg és milyen hatások érték út közben.

A kutatások során kiderült, hogy a folyókban érzékelhető jelenségben nem a sodródás, hanem a kopás a döntő. A kopás pedig két jól elkülöníthető fázisban megy végbe: a kőről először lecsiszolódnak az élek és a kiálló részek, amelynek során azonban a mérete (tehát a hossza és a szélessége) még nem változik. Ezután viszont már minden, további kopás fokozatosan elkezdi csökkenteni a kavics méretét, és ennek mértéke, folyamata immár matematikai képletté is formálható.

A kutatók a kavicsok formájából mára már pontosan meg tudták mondani, hogy mennyit vesztett a tömegéből, amiből pedig ki lehetett számolni, honnan indult. Domokos Gábornak ezzel összefüggésben az volt az egyik legfontosabb fölfedezése, hogy ami itt lezajlik, az hasonló, mint a hővezetés jelensége.

Balra a Marson talált folyómeder, jobbra egy szintén kiszáradt földi folyómeder, hasonló kőzetekkel. Fotó: Curiosity / NASA / JPL

Ezt a következőképpen magyarázta el: "A kavicsoknak először az éles részét távolítja el a kopás, ez a folyamat pedig erős párhuzamot mutat a hővezetéssel, ami nem más, mint a hő térbeli és időbeli terjedése. A mi modellünkben a hőmérsékleti kiugrásnak a kavics görbülete felel meg – tehát például a kavicson egy csúcs egy kiugróan magas hőmérsékletű ponttal áll párhuzamban, és ez a kis helyen koncentrált hő igen gyorsan terjed szét egy testben" (További olvasnivaló.).

Fontos, hogy ez nemcsak formai analógia, hanem maguk a jelenséget leíró egyenletek is rokonok egymással. Geometriailag ez az élek gyors kopását követő lassú, a gömbhöz közelítő formaváltozásnak felel meg. Az alakváltozásokat és mennyiségvesztéseket leíró matematikai képletek tehát olyan általánosságokat fogalmaznak meg, amelyek mindenhol érvényesek, ahol kövekkel találkozunk. Mindezek alapján a magyar–amerikai kutató csoportnak a marsi fotók alapján egyértelműen sikerült bizonyítania, hogy a Curiosity látóterébe bekerült kavicsok a lelőhelyüktől nagyjából 30-40 kilométerre lévő Gale-kráter szélétől indulhattak el, és hogy ott valaha egy folyó hatásainak voltak kitéve. Hogy azután mikor és hogyan tűnt el a víz a Marsról, az már egy következő kérdés.

Lévai Júlia