Woda drąży skały - nowe spojrzenie na proces powstawania jaskiń

Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego




Woda drąży skały - nowe spojrzenie na proces powstawania jaskiń



STRESZCZENIE
Mechanizm tworzenia się jaskiń w skałach wapiennych przez wiele lat  
pozostawał zagadką. Proponowane przez fizyków modele przewidywały  
powstawanie jedynie płytkich pieczar, a wykluczały formowanie się  
rozległych, rozczłonkowanych korytarzy, stały więc w sprzeczności z  
rzeczywistością - w krajobrazie krasowym istnieją jaskinie o długości  
kilkudziesięciu, a nawet kilkuset kilometrów. Model opracowany przez  
naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i Wydziału  
Inżynierii Chemicznej Uniwersytetu Florydzkiego pokazuje, w jaki sposób w  
młodej jaskini tworzą się długie korytarze. Wyniki te mają również  
znaczenie praktyczne.



TREŚĆ
W najnowszej pracy, która wkrótce ukaże się w prestiżowym czasopiśmie  
geofizycznym "Earth and Planetary Science Letters", Piotr Szymczak i  
Anthony Ladd rzucają nowe światło na wczesne etapy powstawania jaskiń  
wapiennych.

Jaskinie tworzą się wzdłuż szczelin skalnych, do których przesączają się  
wody podziemne, zwykle w większym lub mniejszym stopniu nasycone  
dwutlenkiem węgla. Dwutlenek węgla reaguje z wodą, tworząc słaby kwas  
węglowy, który rozpuszcza węglan wapnia będący głównym budulcem skał  
wapiennych. W ten sposób szczelina poszerza się  i stopniowo przekształca  
się w jaskinię.

Zrozumienie szczegółów tego procesu okazało się jednak trudne - pierwsze  
modele fizyczne, m.in model zaproponowany pod koniec lat 50. przez Petera  
Weyla, prowadziły do nieoczekiwanego wniosku, że po wniknięciu zaledwie  
kilkadziesiąt centymetrów w głąb skały woda w szczelinie całkowicie nasyca  
się jonami wapnia i reakcja rozpuszczania ustaje. W ten sposób w kilkaset  
tysięcy lat tworzyłyby się jedynie płytkie pieczary, najwyżej  
kilkumetrowej głębokości, a długie tunele skalne nie mogłyby powstać. Skąd  
więc biorą się ogromne, rozczłonkowane jaskinie w krajobrazie krasowym?

Spośród różnych hipotez, które miały wytłumaczyć tę sprzeczność,  
najbardziej popularna stała się koncepcja "spowolnienia kinetycznego"  
Williama White'a. Zauważył on, że zagadkę powstawania jaskiń można  
częściowo wyjaśnić, zakładając, iż tempo rozpuszczania skały bardzo  
gwałtownie spada, kiedy woda jest bliska nasycenia jonami wapnia, co  
pozwala nienasyconemu roztworowi wnikać dużo dalej w głąb szczeliny.

Szymczak i Ladd pokazują, za powstawaniem korytarzy skalnych może stać  
inny mechanizm. Matematyczna analiza równań rządzących procesem  
rozpuszczania pokazuje ukrytą w nich niestabilność, która z biegiem czasu  
prowadzi do skupiania się przepływu wody w wyraźnych, głęboko wciętych w  
powierzchnie skalne kanałach. Prędkość cieczy w tych kanałach jest bardzo  
duża, dzięki czemu nienasycony roztwór wnika głęboko do wnętrza szczeliny.  
Co ciekawe, kanały rywalizują między sobą o dostępny przepływ: te dłuższe  
wygrywają i rosną coraz szybciej, krótsze zaś zamierają. Prowadzi to do  
powstawania hierarchicznej, samopodobnej struktury korytarzy.

Nowa teoria pokazuje, że długie korytarze skalne mogą tworzyć się o wiele  
szybciej, niż to przewidywały poprzednie modele. To ważne nie tylko dla  
fizyków, również dla inżynierów. Nowy model teoretyczny może być pomocny  
przy określaniu bezpieczeństwa podziemnych rezerwuarów
substancji toksycznych lub stabilności struktur hydraulicznych, takich jak  
tamy czy groble, które mogą ulec podmyciu w wyniku rozpuszczenia się  
skały, na której są zbudowane.

INFORMACJE UZUPEŁNIAJĄCE

Fizyka i astronomia na Uniwersytecie Warszawskim pojawiły się w 1816 roku  
w ramach ówczesnego Wydziału Filozofii. W roku 1825 powstało Obserwatorium  
Astronomiczne. Obecnie w skład Wydziału Fizyki UW wchodzą Instytuty:  
Fizyki Doświadczalnej, Fizyki Teoretycznej, Geofizyki, Katedra Metod  
Matematycznych oraz Obserwatorium Astronomiczne. Badania pokrywają niemal
wszystkie dziedziny współczesnej fizyki, w skalach od kwantowej do  
kosmologicznej. Kadra naukowo-dydaktyczna Wydziału składa się z ponad 200  
nauczycieli akademickich, wśród których jest 70 pracowników z tytułem  
profesora. Na Wydziale Fizyki UW studiuje prawie 700 studentów i ok. 150  
doktorantów.

KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:

	dr hab. Piotr Szymczak
	Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Instytut Fizyki Teoretycznej
	
	email: piotr.szymczak@fuw.edu.pl



POWIĄZANE STRONY WWW:

	http://www.fuw.edu.pl/
	Strona Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.