Os matemáticos podem ter desvendado o segredo de como as "florestas de pedra" se formam

10

Prolongar / A Floresta de Pedra (Shilin) ​​na província chinesa de Yunnan pode ser o resultado da dissolução de sólidos em líquidos na presença da gravidade, produzindo fluxos convectivos naturais.

Existem muitas formações geológicas maravilhosas na natureza, de Calçada dos Gigantes na Irlanda para Torre Castleton em Utah, e os vários processos pelos quais essas estruturas se formam são de interesse antigo para os cientistas. Uma equipe de matemáticos aplicados da Universidade de Nova York voltou sua atenção para as chamadas "florestas de pedra" comuns em certas regiões da China e Madagascar. Essas formações rochosas pontiagudas, como a famosa Floresta de Pedra na província chinesa de Yunnan, são o resultado da dissolução de sólidos em líquidos na presença da gravidade, o que produz fluxos convectivos naturais, segundo a equipe da NYU. Eles descreveram suas descobertas em um artigo recente publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences.

O co-autor Leif Ristroph disse a Ars que seu grupo no Laboratório de Matemática Aplicada da NYU ficou interessado em estudar florestas de pedra (tecnicamente um tipo de topografia cárstica) por uma rota um tanto indireta. Eles estavam usando simulações e experimentos para explorar as formas interessantes que evoluem nas paisagens devido a uma série de processos de "modelagem", principalmente a erosão e a dissolução.

"Nós descobrimos as pontas formadas pela dissolução quando deixamos um doce em um tanque de água e voltamos mais tarde para encontrar uma agulha em forma de agulha", disse ele. "O estudante de graduação, o primeiro autor Mac Huang, até mesmo acidentalmente se cortou ao admirar a forma. Isso nos levou ao problema, e ficamos muito animados quando percebemos a conexão com pináculos de pedra e florestas de pedra, que têm sido bastante misteriosos em seu desenvolvimento. Esperamos que nossos experimentos contem uma 'história de origem' simples por trás dessas formas de relevo. "

Para testar suas simulações em laboratório, a equipe combinou açúcar de mesa granulado, xarope de milho e água em moldes para fazer blocos e pilares únicos de rebuçados solidificados (hard-crack) – uma aproximação das rochas solúveis que normalmente formam topografias cársticas . O molde para os blocos incluía arranjos de hastes metálicas verticais para "semear" os blocos com poros para uma aproximação ainda maior. Eles colocaram esses blocos de doces e pilares em um tanque de acrílico cheio de água desgaseificada em temperatura ambiente – fundo o suficiente para que os açúcares dissolvidos se acomodassem no fundo, longe dos objetos testados. Eles capturaram o processo de dissolução tirando fotos digitais em intervalos de um minuto.

Você pode assistir a um vídeo de tempo decorrido do experimento abaixo, no qual um bloco de doces em processo de dissolução se transforma em uma série de pontas afiadas que lembram uma cama de pregos. O bloco começa com poros internos e é totalmente imerso na água, onde se dissolve e se transforma em uma "floresta de doces" antes de entrar em colapso.

Isso ocorre mesmo em água parada. "Descobrimos que o próprio processo de dissolução gera os fluxos responsáveis ​​por esculpir a forma do espigão", disse Ristroph. "Basicamente, o mineral – ou, em nossos experimentos, pirulito servindo como 'rocha simulada' – se dissolve e o fluido circundante fica pesado e, em seguida, flui para baixo devido à gravidade. Portanto, nosso mecanismo não requer quaisquer condições de fluxo específicas ou outras condições externas ou circunstâncias ambientais: a receita envolve apenas a dissolução em líquido e gravidade. "

Ristroph et al. sugerem que um mecanismo semelhante está em funcionamento na formação de florestas de pedra, apenas em uma escala de tempo muito mais longa. Rochas solúveis como calcário, dolomita e gesso são submersas na água, onde os minerais se dissolvem lentamente na água circundante. A água mais pesada então afunda sob a atração da gravidade, e os fluxos gradualmente formam topografias cársticas. Quando a água recua, surgem os pilares e as florestas de pedra.

Na superfície, essas florestas de pedra parecem bastante com "penitentes": pilares nevados de gelo que se formam no ar muito seco encontrados no alto das geleiras andinas. Alguns físicos tem sugerido aquele penitentes formulário quando a luz solar evapora a neve diretamente em vapor, sem passar por uma fase aquosa (sublimação). Minúsculas cristas e valas se formam, e a luz do sol fica presa dentro delas, criando calor extra que esculpe valas ainda mais profundas, e essas superfícies curvas, por sua vez, agem como uma lente, acelerando ainda mais o processo de sublimação. A proposta alternativa adiciona um mecanismo adicional para explicar o espaçamento fixo estranhamente periódico dos penitentes: uma combinação de difusão de vapor e transporte de calor que produz um gradiente de temperatura acentuado e, portanto, uma taxa de sublimação mais alta.

Os físicos foram capazes recriar versões artificiais de penitentes no laboratório. Mas os penitentes e os bosques de pedras são, na verdade, bastante diferentes quanto aos mecanismos envolvidos em sua formação. "Acho que as semelhanças são muito superficiais", disse Ristroph. "Certamente, o processo de 'escultura' é muito diferente em termos dos principais efeitos motrizes. Principalmente, nossas pontas são muito esculpidas por fluxos, que não acho que tenham um grande papel na formação dos penitentes."

É verdade que os pesquisadores da NYU alcançaram seus resultados em condições idealizadas – deliberadamente, de acordo com os autores, para melhor identificar e caracterizar claramente o processo de afiação, o mecanismo subjacente e a estrutura matemática. Como resultado, "este estudo revela um conjunto mínimo de ingredientes essenciais para os motivos da agulha e da cama de pregos", escreveram os autores. No futuro, eles esperam testar ainda mais esse processo de formação em diferentes condições ambientais no laboratório, como a forma como a precipitação e o escoamento superficial, ou ser enterrado sob sedimentos soltos, podem afetar a formação do pináculo.

DOI: PNAS, 2020. 10.1073 / pnas.2001524117 (Sobre DOIs)

Fonte: Ars Technica