Fizycy opisali wzorem kształty stalagmitów

Kształty stalagmitów – narastających w górę nacieków skalnych w jaskini – zależą od warunków, w jakich powstawały. A kształt ten można opisać jednym wzorem matematycznym – pokazał zespół prof. Piotra Szymczaka z UW. Wiedza ta posłuży geologom i klimatologom.

Kształty stalagamitów

.Stalagmity to słupy z węglanu wapnia, które tworzą się na dnie jaskini. Rosną w górę, ponieważ z sufitu przez setki, tysiące czy dziesiątki tysięcy lat kapie na nie woda bogata w minerały. Kształty stalagamitów naukowcy opisują wzorem matematycznym.

Dla przypomnienia: nacieki, które rosną od stropu jaskini w dół to stalaktyty. Kiedy stalaktyt połączy się ze stalagmitem – powstaje stalagnat. Najtrudniejsze do matematycznego opisu okazały się jednak właśnie stalagmity.

Stalagmity przybierają różnorakie kształty: od wysmukłych po przysadziste. Górna część stalagmitu może być płaska jak stolik, kolumnowa (zaokrąglona, lekko spłaszczona na wierzchu) lub stożkowa (ze spiczastym czubkiem).

– Sformułowaliśmy teorię, która pokazuje, w jakich warunkach powstają stalagmity o określonym kształcie – mówił prof. Piotr Szymczak z Wydziału Fizyki UW, główny autor publikacji w PNAS o stalagmitach.

Analiza teoretyczna wykazuje, że kształt stalagmitu nie zależy od warunków początkowych (np. ukształtowania podłoża), lecz jest zdeterminowany przez kilka wielkości fizycznych, które łączą się w jeden parametr – liczbę Damkoehlera. Tymi zmiennymi są m.in. częstotliwość kapania wody na wierzchołek stalagmitu, a także odległość wierzchołka od stropu jaskini. Zmieniając wartość tego parametru można odtworzyć różne kształty stalagmitów obserwowane w przyrodzie.

Prof. Szymczak wyjaśnił, że kiedy kropla spada z dużej wysokości, pojawia się wokół niej turbulentny przepływ powietrza. W efekcie woda trafia za każdym razem w nieco inne miejsce, podobnie jak pociski niedoświadczonego strzelca celującego do tarczy. Co więcej, spadając z wysoka, kropla się rozbryzguje. Oba te efekty – rozbryzg i niedokładne celowanie – powodują, że materiał zawarty w kropli osadza się na większej powierzchni. To dlatego niskie, młode stalagmity często mają charakterystyczne, płasko ścięte wierzchołki. Gdy stalagmit rośnie, spadające na niego krople mają krótszą drogę do przebycia i uderzają precyzyjniej, w jeden punkt, i mniej się rozbryzgują. Wtedy stalagmit zaczyna przybierać formę kolumny lub stożka.

– Można powiedzieć, że daliśmy geologom swoistą ściągawkę dotyczącą idealnych kształtów stalagmitów. Dzięki niej, analizując sam kształt stalagmitu, będą mogli zrekonstruować przeszłość badanej jaskini i na przykład oszacować, jak intensywnie w danym miejscu kapała woda – ocenił prof. Szymczak.

Jego zdaniem w fizyce coraz trudniej znaleźć problemy, które da się rozwiązać na kartce papieru. – Udało się, bo przyjęliśmy platońską „idealność” stalagmitu: po bardzo długim czasie osiąga on kształt, który już się nie zmienia, choć stalagmit nadal rośnie. Z takim założeniem skomplikowane równania wzrostu upraszczają się radykalnie, co pozwala wyprowadzić wzór na idealny kształt stalagmitu – powiedział.

Naturalne archiwa klimatu

.Stalagmity są naturalnymi archiwami klimatu: z układu warstw i składu odczytujemy zmienność warunków środowiskowych w czasie. Kształt nacieku jest dodatkowym nośnikiem informacji, który pomaga właściwie interpretować te zapisy – inaczej rozkładają się sygnały w stalagmicie kolumnowym, a inaczej w stożkowym. Połączenie geometrii z analizą warstw i izotopów umożliwia precyzyjniejszą rekonstrukcję klimatu.

– 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. Ta wiedza ułatwi precyzyjniejszą rekonstrukcję klimatu – zwrócił uwagę naukowiec.

Innym zastosowaniem może być badanie hydrologii w skałach krasowych. Analizując kształty stalagmitów w jaskini, można stworzyć mapę pokazującą, gdzie i jak intensywnie zachodzi przepływ wody.

– Jako fizyka fascynuje mnie połączenie kształtu z procesem, który prowadzi do jego powstania – zwrócił uwagę prof. Szymczak. I dodał, że 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 i spróbować poznać proces, który je stworzył. To drobny, lecz piękny rys filozoficzny, który ujawnia się w nauce – podsumował.

Budowa społeczeństwa opartego na wiedzy

.„Źródłem wiedzy ostatniej są badania naukowe. Badania, które ze swej natury mają charakter globalny. Nie istnieje polska, czy amerykańska fizyka, tak jak nie byłoby uzasadnione mówienie o polskiej czy francuskiej historii. Oczywiście dotyczy to stosowanych metod badawczych czy sposobów opisu rzeczywistości, a nie konkretnego przedmiotu badań. Dlatego też jest oczywiste, że naukowiec, niezależnie od miejsca jego pracy, musi konfrontować swoje wyniki w skali światowej, z innymi osobami pracującymi w jego dyscyplinie” – pisze na łamach „Wszystko co Najważniejsze” prof. Andrzej JAJSZCZYK z AGH w Krakowie w tekście „Kluczem sukcesu staje się budowa społeczeństwa opartego na wiedzy„.

Podkreśla on, że niestety wyniki tej konfrontacji, w sensie statystycznym, nie są korzystne dla polskiego środowiska naukowego. Jakkolwiek w Polsce nauką zajmuje się nominalnie około stu tysięcy osób, naprawdę nieliczne z nich można zaliczyć do, nawet bardzo szeroko rozumianej, światowej czołówki. Oczywiście można zapytać, czy w ogóle potrzebni są nam w Polsce uczeni, skoro wiedzę pozyskaną przez innych można czerpać z wielu ogólnodostępnych źródeł. Odpowiedź jest, moim zdaniem, prosta. Nawet korzystanie z cudzych prac wymaga odpowiedniego potencjału intelektualnego i aktywnego uprawiania nauki na wysokim poziomie. 

„Co więcej, nie wszystkie wyniki są zresztą szybko publikowane – dostęp do tej wiedzy jest możliwy tylko dzięki osobistym kontaktom między naukowcami i przez udział w życiu naukowym, w tym w konferencjach, w których uczestniczą reprezentanci światowej czołówki. W wybranych obszarach można i warto się zresztą pokusić o tworzenie wiedzy na najwyższym światowym poziomie, tam gdzie mamy odpowiednie zasoby, przede wszystkim ludzkie, a także tam gdzie potrzebuje tego nasza rozwijająca się gospodarka. Są i obszary, w których badań nikt, poza raczej incydentalnymi przypadkami, za nas nie zrobi. To szeroko rozumiane nauki społeczne, których zadaniem jest m.in. badanie zmian zachodzących w naszym społeczeństwie czy międzynarodowym otoczeniu” – twierdzi ekspert. 

”Nikt nas również nie zwolni z badania własnej historii i kultury, geografii czy środowiska przyrodniczego. Ale wszystkie te badania, nawet gdy dotyczą obszaru naszego kraju, muszą być prowadzone zgodnie z najwyższymi międzynarodowymi standardami i w konfrontacji z nauką światową. Tylko wtedy będziemy mogli przekonywująco prezentować światu nasze własne wizje historii czy społecznej rzeczywistości i brać czynny udział w globalnej narracji” – pisze prof. Andrzej JAJSZCZYK.

LINK DO TEKSTU: https://wszystkoconajwazniejsze.pl/prof-andrzej-jajszczyk-polska-nauka-przegrywa-wyscig/

PAP/ Ludwika Tomala/ LW