Сейсмология встречает ботанику: геолог применил науку о вибрациях к сагуаро

Высокие структуры — будь то здание, геологическое образование, дерево или даже кактус — должны уметь гнуться и раскачиваться под действием ветра и движения грунта, иначе они рухнут. Особенно если этот кактус — высокий сагуаро (Carnegiea gigantea), культовый обитатель юго-запада США.

Джефф Мур, геолог из Университета Юты, специализирующийся на оценке геологических опасностей, вырос в Аризоне. В своём новом исследовании он использовал свой геофизический инструментарий для изучения структурных свойств сагуаро и их реакции на вибрации окружающей среды.

Этот ботанический «детур» применил анализ вибраций, разработанный Муром для природных арок и скальных башен в Юте, совершенно новым способом. Метод может помочь учёным лучше понять крупные водозапасающие растения, не причиняя им вреда.

«Сагуаро всегда были частью моей жизни. У этих кактусов очень сильная культурная ценность, что и мотивирует научное исследование», — сказал Мур. Сагуаро — ключевой вид пустыни Сонора. Они вырастают до 70 футов (около 21 м) в высоту и живут сотни лет.

Его исследование, опубликованное в American Journal of Botany, представляет новый неинвазивный способ измерить, как живые сагуаро реагируют на временные возмущения, такие как ветер и движение грунта. Он опробовал технику на 11 кактусах разной высоты в горах Тусона.

Анализируя «фоновые вибрации», Мур смог определить собственные резонансные частоты каждого кактуса (конкретные скорости, с которыми они раскачиваются) и то, как их гибкость и жёсткость меняются с высотой, временем суток и содержанием воды.

Стволы сагуаро имеют складчатую структуру и покрыты толстой гибкой кожей, защищённой 2-дюймовыми (около 5 см) колючками. «Морфология сагуаро уникальна: она позволяет им расширяться, поглощать большое количество воды во время муссонов и выдерживать периоды засухи», — отметил Мур.

Получив разрешение от парка «Горы Тусон», Мур провёл день, закрепляя лёгкий сейсмометр на 10 кактусах-«копьях» (одиночных колоннах без ветвей). Высота самого маленького составляла около 2 футов (0,6 м), самого высокого — почти 25 футов (7,6 м). Сейсмометр мягко подвешивали на ремне на уровне груди.

Записав всего по 15 минут сейсмических данных с каждого кактуса, учёный обнаружил, что их резонансные частоты варьируются от 0,55 до 3,7 Гц, а коэффициенты демпфирования — между 1 и 2%. (Коэффициент демпфирования показывает, как быстро затухают колебания после возмущения.)

Исследование показало, что резонанс и жёсткость сагуаро сильно различаются по высоте ствола. Как правило, они более жёсткие у основания и более гибкие наверху. «Сагуаро вибрируют подобно консоли, но с интересными отличиями, — написал Мур. — Жёсткость варьируется между кактусами (более высокие стебли жёстче) и внутри одного стебля (у более высоких стеблей более мягкие верхушки)».

Вопреки ожиданиям Мура, краткосрочные изменения вибрации вызваны не содержанием воды, а суточными циклами резонансной частоты, вероятно, из-за размягчения ткани кактуса при нагреве днём и отвердевания при охлаждении.

Исследование зафиксировало несколько мод вибрации, что отражает сложную внутреннюю архитектуру каждого кактуса, поддерживаемую деревянистыми рёбрами, которые прочнее в нижней части стебля.

«Эти кактусы вибрируют каждую секунду каждого дня. Когда ветер усиливается, они вибрируют сильнее; когда стихает — слабее, но они постоянно в движении, — сказал Мур. — Каждый сагуаро уникален и движется в комбинации всех своих естественных мод. Он раскачивается, но картина становится сложнее, чем ближе вы смотрите».

Ранее, чтобы получить такие данные о гибкости растения, кактус приходилось разрезать. «Вырезали сегменты, а затем сгибали их грузами, чтобы измерить изгибную жёсткость», — пояснил Мур. Этот подход разрушает кактус и неприменим к крупным нижним частям стебля. Новый метод неразрушающий, требует короткой записи данных и даёт ту же информацию.

Таким образом, его неинвазивная вибрационная техника предлагает новую основу для понимания биомеханики и экологической устойчивости пустынных растений. Она может помочь учёным прогнозировать, как сагуаро и другие крупные растения выдерживают сильный ветер, и следить за их структурным здоровьем.