Маленькие кратеры на песчаной дорожке образуются, когда падающие капли ударяют по рыхлой поверхности и отбрасывают песчинки в стороны. В центре остаётся углубление или сплющенный след удара, а вокруг могут появиться валик из выброшенных частиц и мелкие брызговые ямки. Рисунок зависит от размера и скорости капли, плотности и влажности грунта. На мокром уплотнённом песке кратер может быть неглубоким, а на сухой рыхлой поверхности удар заметно перестраивает зернистый слой.
Что делает капля при ударе
Капля дождя падает и набирает скорость, пока сопротивление воздуха не уравновесит силу тяжести. При столкновении с землёй её движение резко останавливается. Вода расплющивается и растекается по поверхности, а часть импульса передаётся песчинкам. Некоторые зерна поднимаются и вылетают наружу, другие сдвигаются вдоль поверхности или уплотняются в центре.
Сам дождь начинается с процессов в облаках и атмосфере, которые описаны в статье о том, откуда берётся дождь.
Капля действует не как миниатюрный бур, который вращается и вырезает отверстие. Это короткий удар и растекание жидкости. Углубление возникает потому, что частицы смещаются и перераспределяются. Если субстрат содержит мелкие и крупные зёрна, отдельные части могут двигаться по-разному. Камера с высокой скоростью показывает, как после удара поднимается корона брызг, а частицы грунта вылетают за её пределы.
Почему одни ямки глубже других
Крупная капля несёт больше массы и обычно имеет больший импульс, но итог зависит не только от её размера. Скорость удара, высота падения, поверхностное натяжение и вязкость воды влияют на растекание. Важны также размер песчинок, их сцепление, форма и содержание влаги. Один и тот же дождь оставляет разные следы на рыхлом песке, глинистой почве и утоптанной дорожке.
Сухой рыхлый материал может легко разлететься, поэтому удар формирует заметный кратер и выброс частиц. Немного влажная почва часто сцеплена лучше: зерна удерживаются друг за друга, и углубление получается иным. При высокой влажности поверхность может быть насыщена водой и деформироваться как пластичная масса. При этом условия сильно меняются от места к месту – пятно под листом или около лужи не эквивалентно сухой открытой дорожке.
Форма кратера зависит и от того, куда именно попала капля. Попадание в уже существующую ямку меняет её, а столкновения рядом могут объединять следы. На склоне брызги и вода смещаются вниз, и узор становится асимметричным. Поэтому не все ямки, заметные после дождя, возникли от одиночных вертикальных капель.
Как отдельные удары связаны с эрозией
Если капли постоянно ударяют по открытому грунту, они выбрасывают мелкие частицы и разрушают рыхлый верхний слой. Вода затем уносит часть материала по поверхности, и начинается смыв. Удар дождя считается начальным звеном дождевой эрозии: он отделяет частицы, после чего текущая вода переносит их дальше. Кратер – небольшой и временный след процесса, а не вся эрозия сама по себе.
Долгосрочное изменение поверхности называется эрозией – простое объяснение дано в материале о том, что такое эрозия.
Растительный покров смягчает удары. Листья принимают часть капель, корни удерживают грунт, а остатки растений защищают поверхность. Поэтому на голой земле брызги могут разлетаться сильнее, чем под травой. Это один из факторов, почему сельскохозяйственные поля и склоны нуждаются в защите от смыва, хотя конкретные меры зависят от почвы, уклона и осадков.
Почему следы быстро исчезают
Новый дождь частично заполняет кратеры и создаёт новые. Ветер сглаживает рыхлые края, вода стекает в углубления и переносит песок, а люди и животные перемешивают поверхность. Если дорожка высыхает, некоторые ямки становятся менее заметны, а другие закрепляются в плотном слое. Узор после ливня – временная фотография нескольких ударов и течения воды, а не неизменный рельеф.
На песке можно увидеть и большие круглые следы, похожие на кратеры, но возникшие не от дождя. Это могут быть отпечатки обуви, ходы насекомых, лопнувшие пузырьки или попадание более крупного предмета. Чтобы понять причину, сравните размер, регулярность и расположение углублений. Одиночный кратер обычно не позволяет определить даже точный размер капли, если неизвестны свойства поверхности.
Простой опыт с песком
Положите в неглубокий поддон тонкий ровный слой сухого песка и капните на него воду с одинаковой высоты. Повторите опыт на слегка увлажнённом участке и сравните углубления. Используйте небольшие количества воды и поддон, чтобы не создавать грязь и не выливать грунт в сток. Это демонстрация влияния влажности и удара, а не точная модель дождя: капля из пипетки может иметь другую форму, размер и скорость.
Если добавить несколько последовательных капель в одно место, ранний кратер будет постепенно изменяться. Если направить капли рядом, отдельные ямки могут соединиться. Так видно, почему дождь не рисует одинаковые ровные отверстия. Каждая капля падает со своей траекторией, а грунт неоднороден даже в пределах нескольких сантиметров.
Маленькие кратеры появляются потому, что капля передаёт импульс песку, сдвигает зерна и выбрасывает часть из них наружу. Размер и чёткость углубления определяют свойства капли, грунта и его влажность. Такие следы показывают начальную стадию дождевого смыва, но постепенно сглаживаются последующими каплями, течением воды и ветром. О самой эрозии можно прочитать в статье о геологической эрозии, а о происхождении осадков – в материале о том, откуда берётся дождь.
Что происходит с выброшенными песчинками
После удара часть частиц летит вверх, часть – в стороны, а часть оседает рядом с местом падения. Если частица возвращается в соседнюю область, она может создать маленький вторичный след. Если её унесёт поверхностный поток, она продолжит перемещаться вниз по дорожке. Множество таких небольших перемещений со временем меняет микрорельеф, хотя отдельная капля не способна перенести большое количество грунта.
Энергия удара распределяется между растеканием воды, деформацией поверхности, движением зёрен и звуком. Более связная глина может растрескиваться или сминаться иначе, чем округлый песок. Увлажнение также влияет на сцепление: тонкая водная плёнка иногда удерживает частицы вместе, а поток может смывать мелкую фракцию. Поэтому повторяющиеся кратеры на песке не означают, что дорожка обязательно будет размыта сильным потоком.
Если осадки идут долго, капельный удар становится лишь одним участником процесса. Вода накапливается, соединяется в ручейки, забивает поры и переносит частицы. Рельеф дорожки меняется из-за стока и уклона. Это объясняет, почему ливень может оставить неравномерные борозды, даже если отдельные капли были одинаковыми.
