Naukowcy od lat są zgodni co do tego, że jaskinie tworzą się wzdłuż szczelin skalnych, do których przesączają się wody podziemne, zwykle 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 – poinformowali naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.
Tymczasem, jak wiadomo, w krajobrazie krasowym istnieją rozgałęzione jaskinie o długości kilkudziesięciu, a nawet kilkuset kilometrów. Zagadkę ich powstawania próbowano już wcześniej wyjaśnić. Jedną z popularniejszych teorii była koncepcja tzw. spowolnienia kinetycznego Williama White'a. Teoria ta zakładała, że roztwór niemalże nasycony jonami wapnia zaczyna znacznie wolniej rozpuszczać skałę i dzięki temu świeża woda ma szansę dopłynąć i rozcieńczyć roztwór, zanim dojdzie do ostatecznego zatrzymania procesu.
Jaskinie tworzą się szybcjej, niż przypuszczano
Do szczegółowego przeanalizowania tego procesu i wyjaśnienia zagadki drążenia jaskiń wapiennych potrzebny był nowy model matematyczny. Opracowali go dr hab. Piotr Szymczak z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i prof. Anthony Ladd z Wydziału Inżynierii Chemicznej Uniwersytetu Florydzkiego. Ich praca, prezentująca zaskakujące wyniki ukaże się wkrótce w renomowanym czasopiśmie geofizycznym "Earth and Planetary Science Letters".
- Matematyczna analiza równań rządzących procesem rozpuszczania pokazuje, że z biegiem czasu dochodzi 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 – wyjaśniają badacze.
Ponadto naukowcy zauważyli, że im korytarz jest dłuższy, tym intensywniej płynie w nim woda, więc rośnie on coraz szybciej. Natomiast krótsze tunele, pozbawione wody, przestają się wydłużać. Dlatego jaskinie wapienne mają przeważnie podobny kształt - długi korytarz, z krótszymi rozgałęzieniami.
- 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 – informują naukowcy z Wydziału Fizyki UW.
(ki)
