Khám phá các dao động định hình mạng lưới vận chuyển
Hiểu được cách các mạng lưới vận chuyển, như các hệ thống sông ngòi, hình thành và tiến hóa là điều quan trọng để tối ưu độ ổn định và sức chịu đựng của chúng.
Trên thực tế thì các mạng lưới vận chuyển lại không hề giống nhau. Các cấu trúc giống cây phù hợp với vận chuyển trong khi các mạng lưới lại chứa các vòng lặp có thể kháng cự với sự hủy hoại nhiều hơn. Vậy những điều kiện gì tạo điều kiện cho sự hình thành của các vòng?
Các nhà nghiên cứu Khoa Vật lý của ĐH Warsaw và ĐH Arkansas dường như tìm thấy câu trả lời. Các phát hiện của họ, xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters, chứng tỏ các mạng lưới có xu hướng hình thành các cấu trúc vòng ổn định khi các dao dộng dòng chảy được điều chỉnh một cách phù hợp. Phát hiện này cho phép chúng ta hiểu được cấu trúc của các mạng lưới vận chuyển có động lực tốt hơn.
Các mạng lưới vận chuyển, giống như các mạch máu hoặc các hệ thống sông, thiết yếu với những hệ thống tự nhiên và hệ thống do con người tạo ra. Hiểu về cách các mạng lưới này hình thành và tăng trưởng là điều thiết yếu để tối ưu tính ổn định và sức chịu đựng của chúng.
Ngay cả những hệ thống dòng chảy tương tự như các đồng bằng châu thổ, có thể có nhiều hình thái khác nhau. Dòng chảy từ hồ Wax ở Louisiana, Mỹ dường như đã phân nhánh thành một mẫu hình dạng cây với những chi lưu nhỏ hơn rồi chạm đến Atlantic. Đồng bằng châu thổ sông Hằng hà – Brahmaputra ở Bangladesh, nói cách khác, chứng tỏ một topology dạng vòng, với vô số các kênh liên kết nối với các chi lưu chính. Những gì khiến sự khác biệt của hai hệ thống đó là độ lớn của các dao động dòng chảy, được điều hướng bằng một sự tác động qua lại của sức tải sông và các dòng chảy thủy triều.
Câu hỏi về những điều kiện môi trường gì có thể thúc đẩy sự hình thành của các vòng trên khắp các cấu trúc dạng cây đã truyền cảm hứng cho một nhóm hợp tác của các nhà khoa học Khoa Vật lý ĐH Warsaw, Ba Lan và ĐH Arkansas, Mỹ, để điều tra về sự ổn định của các topology dạng cây trong các mạng lưới dòng chảy. Các kết quả của nghiên cứu cho thấy các mạng lưới có xu hướng còn lại dạng vòng khi các dao động dòng chảy được đều chỉnh theo một cách riêng.
“Các quy tắc tăng trưởng đơn giản có thể thường dẫn đến các mẫu hình thu hút. Các cấu trúc dạng cây đều hiệu quả về vận chuyển nhưng các mạng lưới có thể chứa các vòng đều có khả năng phục hồi với sự phá hủy”, giáo sư Piotr Szymczak từ Khoa Vật lý ĐH Warsaw, một đồng tác giả của nghiên cứu. “Hiểu về các điều kiện cần thiế cho sự xuất hiện trong những mạng lưới tiến hóa là mục tiêu dài hạn của chúng tôi”.
“Các mạng lưới sông thoạt nhìn có thể khác biệt với việc phụ thuộc vào sông và biển – dữ liệu địa không gian cung cấp cho chúng ta với bằng chứng về các hình thái thay đổi của các đồng bằng châu thổ với dữ liệu mới hình thành từ việc thu thập các đặc tính dòng chảy mà chúng ta đang cố gắng tìm hiểu hiều hơn nữa về động lực tiến hóa của chúng, cụ thể trong thời điểm biến đổi khí hậu nhanh”, giáo sư John Shaw của trường Arkansas, người dành thời gian sabbatical tại UW ở Ba Lan thông qua Fulbright Research Award.
“Công bố này được tạo ra từ những quan sát địa lý, các phương trình của trầm tích học và các phương pháp tính toán của vật lý”.
“Hợp tác của chúng tôi bắt đầu tập trung vào các dòng sông nhưng các quan sát tổng quan hóa một lớp các hệ thống vận chuyển rất lớn”, theo Radost Waszkiewicz, tác giả thứ nhất của công trình và là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Vật lý UW.
Các nhà khoa học đã phát hiện ra sự ổn định của các vòng lặp trong những mạng lưới này phụ thuộc vào tác động qua lại giữa những ràng buộc hình học và những dao động của dòng chảy. Họ phát hiện ra, những vòng lặp đòi hỏi các dao động ở kích thước liên quan của dòng chảy giữa các giao điểm, không chỉ những biến thiên trong dòng chảy theo thời gian tại một điểm đơn lẻ mà các vòng lặp còn bền vững khi các dao động trở nên quá nhỏ so với hợp phần dòng chảy không đổi.
“Nếu mẫu hình dao động thay đổi bởi các nhân tố bên ngoài như sự can thiệp của con người hay biến đổi khí hậu, các vòng lặp mới bên trong các mạng lưới vận chuyển có thể xuất hiện hoặc biến mất, chuyển đổi hình thức của mạng lưới”, giáo sư Maciej Lisicki của UW kết luận.
“Chúng tôi hy vọng quan sát này sẽ gợi ý thêm nhiều phép đo đạc chính xác hơn trong các hệ thống tự nhiên và sẽ cho phép chúng tôi tiến thêm một bước để hiểu biết về tái mô hình hóa động lực của các hệ thống vận chuyển”.
Thanh Hương tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2024-07-physicists-explore-fluctuations-networks.html
————————————
1.https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.137401
