Kropla drąży skałę… i zapisuje historię klimatu

Na zdjęciu świece krasowe z różnych lokalizacji: (A) Smerdyna, Polska (autor: P. Szymczak, Uniwersytet Warszawski); (B) Guilderton, Australia (autor: P. Szymczak, Uniwersytet Warszawski); oraz (C) Swanscombe, Anglia (autor: J. Rhodes, dzięki uprzejmości British Geological Survey).

Woda kształtuje powierzchnię Ziemi poprzez powolną, lecz nieustanną erozję. Rzeźbi w rozpuszczalnych skałach, takich jak wapień, skomplikowane formy: jaskinie, leje, ostańce, i wiele innych. Międzynarodowy zespół badaczy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Florydzkiego i Instytutu Nauk o Ziemi w Orleanie odkrył, że w kształtach pionowych kanałów w skałach wapiennych, zwanych świecami krasowymi, zachowuje się zapis historii klimatu na Ziemi. Badania, opublikowane w „Physical Review Letters”, pokazują, 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 – mówi mgr Stanisław Żukowski, realizujący doktorat na Wydziale Fizyki UW i Université Paris Cité, pierwszy autor pracy. – 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.

Wyprowadzenie matematycznego wzoru opisującego ten kształt było 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. dr hab. Piotr Szymczak z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, autor korespondencyjny publikacji. 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.

Rozszyfrować plan natury

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.

Praca powstała przy wsparciu Narodowego Centrum Nauki (NCN, Polska) w ramach grantu CEUS UNISONO nr 2020/02/Y/ST3/00121.

PUBLIKACJA NAUKOWA:

KONTAKT:

POWIĄZANE STRONY WWW:

MATERIAŁY GRAFICZNE: