Áttörést jelenthet az új, geometriai alapú számítási módszer

A BME Építészmérnöki Kar tanársegédje első szerzője a Nature Communications-ben a marsi kavicsformák elemzésével foglalkozó tanulmánynak.

„A cikk megjelenése a szakterületen túlmutató tudományos esemény: ilyen témáról ebben az újságban tudomásom szerint még soha nem írtak” – hangsúlyozta Domokos Gábor, a Reconstructing the transport history of pebbles on Mars című publikáció egyik társzerzője. A BME Szilárdságtani és Tartószerkezetek Tanszék professzora úgy vélekedett, legfrissebb eredményük áttörést hozhat nemcsak a marsi, hanem a földi természeti formák vizsgálatában. „Ez egy sokéves munka kétségkívül leglátványosabb része” – utalt a Mars-kutatás aktualitására.

A cikk első szerzője Szabó Tímea, a BME Szilárdságtani és Tartószerkezetek Tanszék 29 éves tanársegédje, társszerzői pedig Domokos Gáboron kívül John Grotzinger professzor (Caltech), a NASA Mars Curiosity Mission volt tudományos vezetője és Douglas Jerolmack, a University of Pennsylvania geofizikai laboratóriumának vezetője.

Az üledékek morfológiája, vagyis a kavicsok és a homokszemek alakja már az ókorban is foglalkoztatta a tudósokat, Arisztotelész ezzel kapcsolatos matematikai modellt is alkotott. „A tudományos érdeklődés oka, hogy e formák kódoltan hordozzák magukban a múltjukat, azaz, a kialakulásuk történetét, vagyis e „kód” megfejtésével feltárhatjuk a bolygón zajló felszíni fizikai folyamatokat is” – magyarázták a BME kutatói. A régóta tartó tudományos érdeklődés ellenére eddig kevés előrelépés történt a formák megértésében, ugyanis e formák leírása matematikai szempontból nehéz feladat: nem világos, hogy mely jellegzetességek lényegesek a fejlődés leírása szempontjából, tehát – a fenti hasonlattal élve – nem világos, mi a „kód.” A földtudományokban ezért többféle, például geokémiai módszert is használnak az üledékek származásának megállapítására.

A közelmúlt kiemelkedő matematikai áttörése, a Poincaré-sejtés bizonyítása motiválta azokat a tisztán matematikai kutatásokat, amelyek megalapozták a formafejlődés modern geometriai elméletét a hetvenes-nyolcvanas években – idézte fel Domokos Gábor. A tudósok több olyan, a formát jellemző mennyiséget találtak, amely a vizsgált matematikai modellekben jól mutatta  a forma múltbéli fejlődését. Mivel azonban a geomorfológusok ezt az elméletet nem ismerték és közvetlenül nem is volt alkalmas a kopási folyamatok leírására, a matematikai áttörésnek hosszabb ideig nem volt hatása a geomorfológiára – magyarázta a BME professzora.

„A Gömböc felfedezése irányította a figyelmünket egy geometriai forma és azt jellemző mennyiség (a Gömböc esetén az egyensúlyi helyzetek száma) között fellelhető szoros kapcsolatra, ezt követően kezdtük megismerni a formafejlődés modelljeit” – ismertette Domokos Gábor. „Világossá vált, hogy a Poincaré-sejtés bizonyítása nyomán publikált egyes eredményeket a kopás geometriáját leíró matematikai modellekre alkalmazva nagyon érdekes következtetéseket lehet levonni” – tette hozzá a kutató. Következő lépésként a Kun Ferenccel (Debreceni Egyetem, Elméleti Fizikai Tanszék) végzett közös munkájukban igazolták, hogy a kavicsok alakfejlődésének kiindulását jelentő törmelék geometriáját univerzális törvényszerűségek írják le (idén márciusban a Nature Scientific Reports-ban megjelent közös cikkükről a bme.hu írása ITT olvasható – a szerk.).

A Szilárdságtani és Tartószerkezetek Tanszék kutatói több éves, terepen, valamint a BME Morfológiai Laborban végzett munka után kerültek kapcsolatba a NASA Curiosity projektjével. Ez utóbbi korábbi vezetője, John P. Grotzinger és kollégái segítettek a NASA robotja által a Marson készített, üledékes kavicsokat ábrázoló fényképek megkeresésében és értelmezésében, különös tekintettel azokra, amelyek formájuk és származásuk miatt leginkább foglalkoztatják a planetológusokat. A tudósok feldolgozták a fényképekből nyert adatokat, amelyeket összevetettek a földi terepi mérésekkel és a laboratóriumi adatokkal. Ezután, a törmelékek geometriájára vonatkozó ismereteiket felhasználva, igen jó becslést tudtak adni a kavicsok származási helyének távolságára, vagyis arra, hogy mennyit mozgatta őket a víz a bolygó felszínén. „Arra mutattunk rá, hogy a víz által szállított kavicsok szállítási távolsága megbecsülhető csupán a kavicsok alakja alapján” – hangsúlyozták. A kutatók most megjelent cikkükben ezzel az új, geometriai alapú módszerrel állapították meg, hogy a kavicsok legvalószínűbb származási helye a Gale kráter tőlük mintegy 30 kilométerre eső pereme. „A számításunk igazolja a planetológiai szakértők korábbi találgatásait a származási helyről” – nyomatékosította munkájuk jelentőségét Domokos Gábor.

A cikket jegyző BME-s tudósok leginkább abban látják a publikáció jelentőségét, hogy a módszerrel pusztán a formáról kapott (néha igen hiányos) információ alapján is következtetni tudtak egy-egy kavics eredetére és múltjára. Ez a becslési módszer hasznos segítség olyan környezetekben, ahol korlátozott az adatgyűjtés lehetősége – hangsúlyozták. „A módszer áttörés lehet az üledékek morfológiájának feltárásában” – vélekedett Domokos Gábor. „Egyedül arra van szükségünk, hogy legyen néhány jó minőségű közeli fotónk pár száz kavicsról” – fűzte hozzá Szabó Tímea.

„A publikációnk rendkívül tömör, az elmúlt évek munkájának szintéziseként azokra a terepi mérésekre, laborkísérletekre és elméleti tanulmányokra épít és hivatkozik, amelyek többnyire szűkebb olvasottságú szaklapokban jelentek meg. Ezért legfőképpen annak örülök, hogy interdiszciplináris folyóiratban jelent meg, így nagyon széles közönséghez juthat el. Ez nagyon motiváló számomra” – vallotta Szabó Tímea.  

A BME tanársegédje a témavezető személyiségét és érdeklődési körét tartja a leginkább meghatározónak kutatási területe kiválasztásakor. „A kavicsokkal még másodéves egyetemi hallgatóként kezdtem foglalkozni, amikor Domokos Gábor volt a Szilárdságtan tantárgyunk előadója. Az egyik előadás szünetében elbeszélgetett velem és meghívott egy, a teknősök mechanikájával kapcsolatos előadására, ami felkeltette az érdeklődésemet. Építészhallgatóként nagyon rokonszenvesnek találtam azt a geometriai szemléletet, amellyel a problémákhoz közelített, így hamarosan a Duna partján találtam magam kavicsokat gyűjtve és ezek után már egyik TDK követte a másikat” – mesélt a kezdetekről.

Tímea kutatómunkája következő szakaszában szeretné kideríteni, hogy a cikkben felvázolt becslési módszer kiterjeszthető-e a például tengerparti kavicsokra vagy a sivatagban szállított homokra is. „A munkánkban használt elméleti kavicskopási modell ugyanis tisztán geometriai, nem pedig mechanikai jellegű, azaz nem feltételezi víz jelenlétét, illetve nem korlátozódik a kavicsok mérettartományára sem. A modell pusztán azzal számol, hogy hasonló méretű szemcsék folytonosan ütköznek, így koptatják egymást” – magyarázta a fiatal kutató. „Joggal gondolhatjuk, és ezt meglévő adataink is megerősítik, hogy olyan környezetekben, ahol ez a feltétel teljesül, a szemcsék alakja az általunk használt geometriai modell alapján változik”. A fiatal tudós  szeretné megérteni a kavicsok alakjának fejlődését ún. súrlódásos kopás esetén, amikor a szállító közeg energiája kisebb (pl. lassú folyó vagy sekély tengerpart), és a kavicsok már nem ütköznek egymással, hanem gurulnak és csúszkálnak. „Míg az ütközéses kopás fent említett modellje jól megalapozott és sokszorosan tesztelt, a súrlódásos kopásról jóval kevesebbet tudunk” – vázolta az előtte álló feladatokat.

A BME fiatal tanársegédje végül megosztotta velünk, hogy tudományos karrierje mellett feleségként is szeretne helytállni, hiszen nyáron volt az esküvője.

-BK-

Fotó: Philip János, nature.com