Woda kształtuje powierzchnię Ziemi poprzez powolną, lecz nieustanną erozję. Rzeźbi w rozpuszczalnych skałach skomplikowane formy: jaskinie, leje, ostańce, i wiele innych. Międzynarodowy zespół badaczy z udziałem fizyków z Uniwersytetu Warszawskiego odkrył, że w kształtach pionowych kanałów w skałach wapiennych, zwanych świecami krasowymi, zachowuje się zapis historii klimatu na Ziemi.
W badaniach uczestniczyli naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Florydzkiego i Instytutu Nauk o Ziemi w Orleanie. Odkryli oni, że w kształtach pionowych kanałów w skałach wapiennych, zwanych świecami krasowymi, zachowuje się zapis historii klimatu na Ziemi. W jaki sposób? Badania pokazały, że z czasem świece te ewoluują w niezmienniczy kształt – idealną formę, która nie ulega zmianom podczas dalszego wzrostu, przechowując w ten sposób informacje o opadach atmosferycznych w czasach, kiedy świece powstawały.
W eksperymentach mikrofluidycznych naukowcy odtworzyli proces powstawania świec w skali laboratoryjnej, obserwując wodę rzeźbiącą kanały w komórkach przepływowych pokrytych gipsem.
– Zauważyliśmy coś niezwykłego. Choć początkowo rozpuszczanie miało chaotyczny przebieg, ostatecznie wyłoniło się tylko kilka wydłużających się kanałów, a każdy z nich przyjął stabilny, charakterystyczny kształt i wydłużał się, już go nie zmieniając. Dokładnie tak samo zachowują się świece krasowe w naturze – przekonuje mgr Stanisław Żukowski, realizujący doktorat na Wydziale Fizyki UW i Université Paris Cité.
Wyprowadzenie matematycznego wzoru opisującego ten kształt okazało się nie lada dużym wyzwaniem.
– Uchwycenie niezmienniczej formy wymagało użycia zaawansowanych narzędzi matematycznych, łączących dynamikę płynów i transport reaktywny. To pozwoliło na modelowanie, jak wody opadowe infiltrują skały wapienne i kształtują świece krasowe – wyjaśnia prof. Piotr Szymczak z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.
Teoria pokazuje, że intensywne opady sprzyjają tworzeniu się wydłużonych rur, podczas gdy przy słabszych opadach powstające kanały są szersze i bardziej zaokrąglone. Kształt świec krasowych przechowuje zatem zapis dawnych warunków klimatycznych.
Zrozumienie mechanizmów powstawania kanałów rozpuszczeniowych w skałach ma również znaczenie praktyczne — może pomóc w optymalizacji procesów podziemnego składowania CO₂ czy wydobycia ropy naftowej. Wyłanianie się niezmienniczych kształtów świec krasowych to także piękny przykład, jak proste prawa fizyki prowadzą do powstania złożonych form w przyrodzie — podobnie jak dzieje się to w przypadku płatków śniegu, delt rzecznych czy struktur krystalicznych. To krok w stronę rozszyfrowania ukrytego planu natury — kropla po kropli. Wyniki ukazały się na łamach „Physical Review Letters”.
MK, źródło: FUW
