Zaskakujące odkrycie Polaków. Stalagmit ma własny wzór matematyczny
Fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego wyprowadzili wzór na kształt stalagmitu. Okazuje się, że forma tych skalnych nacieków nie jest dziełem przypadku, lecz wynika z kilku praw fizyki. Odkrycie może pomóc geologom i klimatologom w odczytywaniu historii Ziemi.
Jaskinie krasowe zachwycają turystów i grotołazów na całym świecie Wspaniała szata naciekowa obejmująca stalaktyty, stalagmity i stalagnaty, ale też misy martwicowe, draperie i cały szereg innych, w połączeniu z ciszą i odgłosem kapiącej wody tworzy niesamowity klimat.
Od kropli wody do wzoru matematycznego
To niemal mistyczne środowisko budzi zachwyt również wśród naukowców, którzy próbują zgłębić każdy aspekt tworzenia się jaskiń. Jak się okazuje, fascynacja obejmuje nie tylko geografów, geologów czy innych przedstawicieli nauk o Ziemi, ale także fizyków (przynajmniej tych z Uniwersytetu Warszawskiego), którzy postanowili dogłębnie zrozumieć... kształt stalagmitu.
Wykorzystali metody, których używają na co dzień - równania. W Proceedings of the National Academy of Sciences prof. Piotr Szymczak i jego współpracownicy pokazali, że zróżnicowane formy stalagmitów, od płaskich po smukłe, da się opisać matematycznym wzorem.
Stalagmity rosną w górę przez tysiące lat, gdy z sufitu jaskini kapie woda nasycona węglanem wania. Ten odkłada się w zwisającym u stropu stalaktycie, dzięki czemu rośnie w dół. Ale gdy kropla uderza o spąg jaskini, rozbryzg powoduje wytrącenie się niewielkiej ilości na dole. I tak kropla po kropli, warstwa po warstwie, rosną ku górze stalagmity.
- Sformułowaliśmy teorię, która pokazuje, w jakich warunkach powstają stalagmity o określonym kształcie - tłumaczy prof. Szymczak. Zaskoczeniem okazało się to, że forma nacieku nie zależy od początkowego ukształtowania podłoża, lecz od kilku zmiennych fizycznych połączonych w jeden parametr - liczbę Damkoehlera. To ona opisuje związek między szybkością kapania, odległością od stropu i sposobem, w jaki kropla uderza o wierzchołek nacieku.
Im wyżej znajduje się źródło wody, tym bardziej chaotyczny jest ruch spadającej kropli. - Woda trafia za każdym razem w nieco inne miejsce, podobnie jak pociski niedoświadczonego strzelca celującego do tarczy - mówi fizyk. Rozbryzgi powodują, że materiał mineralny osadza się szerzej, tworząc płaskie wierzchołki. Z czasem, gdy stalagmit rośnie, odległość maleje, a krople spadają coraz precyzyjniej, rzeźbiąc kształt kolumny lub stożka.
Idealny kształt z platońskiej jaskini
Jak podkreśla prof. Szymczak, w fizyce coraz rzadziej trafiają się problemy, które da się rozwiązać "na kartce papieru". Zbadanie stalagmitów udało się dzięki przyjęciu platońskiego założenia o "idealnym stalagmicie", czyli takim, który po długim czasie przybiera ostateczny kształt, mimo że nadal rośnie. - Z takim założeniem skomplikowane równania wzrostu upraszczają się radykalnie, co pozwala wyprowadzić wzór na idealny kształt stalagmitu - wyjaśnia naukowiec.
Stalagmity to naturalne archiwa klimatu. W ich warstwach zapisane są zmiany środowiska. Teraz, dzięki znajomości ich geometrii, można lepiej zrozumieć, jak interpretować te dane. - Nasze badania pokazały, że w tym, jak odczytywać dane ze stalagmitu, ważny jest jego kształt: inaczej będą wyglądały profile sygnałów w stalagmicie kolumnowym, a inaczej w płaskim - mówi prof. Szymczak. Wiedza ta pozwoli geologom i klimatologom precyzyjniej rekonstruować przeszłość jaskiń i dawnych opadów.
A dla samego fizyka to także kwestia estetyki nauki. - Procesy fizyczne często dążą do wydobycia z materii idealnych kształtów. Warto patrzeć w ten sposób nie tylko na stalagmity, ale też na wydmy, meandry rzek czy sople lodu - podsumowuje prof. Szymczak.
Źródło: naukawpolsce.pl
Publikacja: P. Szymczak,A.J.C. Ladd,M. Lipar, & D. Pekarovič, Shapes of ideal stalagmites, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (42) e2513263122, https://doi.org/10.1073/pnas.2513263122 (2025).
