Los matemáticos pueden haber descubierto el secreto de cómo se forman los «bosques de piedra»

El bosque de piedras (Shilin) ​​en la provincia china de Yunnan puede ser el resultado de la disolución de sólidos en líquidos en presencia de la gravedad, produciendo flujos convectivos naturales.
Agrandar / El bosque de piedras (Shilin) ​​en la provincia china de Yunnan puede ser el resultado de la disolución de sólidos en líquidos en presencia de la gravedad, produciendo flujos convectivos naturales.

Hay muchas formaciones geológicas maravillosas en la naturaleza, desde Calzada del Gigante en Irlanda para Torre de Castleton en Utah, y los diversos procesos mediante los cuales se forman tales estructuras son de interés desde hace mucho tiempo para los científicos. Un equipo de matemáticos aplicados de la Universidad de Nueva York ha centrado su atención en los llamados «bosques de piedra» comunes en ciertas regiones de China y Madagascar. Estas formaciones rocosas puntiagudas, como las famosas Bosque de piedra en la provincia china de Yunnan, son el resultado de la disolución de sólidos en líquidos en presencia de la gravedad, que produce flujos convectivos naturales, según el equipo de la NYU. Describieron sus hallazgos en un artículo reciente publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences.

El coautor Leif Ristroph le dijo a Ars que su grupo en el Laboratorio de Matemáticas Aplicadas de la NYU se interesó en estudiar los bosques de piedra (técnicamente un tipo de topografía kárstica) por una ruta algo indirecta. Usaban simulaciones y experimentos para explorar las formas interesantes que evolucionan en los paisajes debido a una serie de procesos de «conformación», sobre todo la erosión y la disolución.

«Descubrimos por primera vez los picos formados por disolución cuando dejamos dulces en un tanque de agua y regresamos más tarde para encontrar una aguja en forma de aguja», dijo. «El estudiante de posgrado, el primer autor Mac Huang, incluso se cortó accidentalmente cuando estaba admirando la forma. Esto nos metió en el problema y nos emocionamos mucho cuando nos dimos cuenta de la conexión con los pináculos de piedra y los bosques de piedra, que han sido bastante misteriosos en su desarrollo. Esperamos que nuestros experimentos cuenten una ‘historia de origen’ simple detrás de estos accidentes geográficos «.

Para probar sus simulaciones en el laboratorio, el equipo combinó azúcar de mesa granulada, jarabe de maíz y agua en moldes para hacer bloques y pilares individuales de caramelo solidificado (crack), una aproximación a las rocas solubles que típicamente forman topografías kársticas. . El molde para los bloques incluía arreglos de varillas de metal verticales para «sembrar» los bloques con poros para una aproximación aún más cercana. Colocaron estos bloques de caramelo y pilares en un tanque de plexiglás lleno de agua desgasificada a temperatura ambiente, lo suficientemente profundo como para que los azúcares disueltos se asentaran en el fondo, lejos de los objetos que se estaban probando. Capturaron el proceso de disolución tomando fotografías digitales a intervalos de un minuto.

Puede ver un video transcurrido del experimento a continuación, en el que un bloque de caramelo que se disuelve se transforma en una serie de picos afilados que se asemejan a un lecho de clavos. El bloque comienza con poros internos y se sumerge completamente bajo el agua, donde se disuelve y se convierte en un «bosque de dulces» antes de colapsar.

Esto ocurre incluso en aguas tranquilas. «Descubrimos que el proceso de disolución genera los flujos responsables de tallar la forma de la espiga», dijo Ristroph. «Básicamente, el mineral, o, en nuestros experimentos, el caramelo de piruleta que sirve como ‘roca simulada’, se disuelve y el fluido circundante se vuelve pesado y luego fluye hacia abajo debido a la gravedad. Por lo tanto, nuestro mecanismo no requiere ninguna condición de flujo particular u otras condiciones externas. o circunstancias ambientales: la receta implica simplemente disolverse en líquido y gravedad «.

Ristroph et al. sugieren que un mecanismo similar está funcionando en la formación de bosques de piedra, solo que en una escala de tiempo mucho más larga. Las rocas solubles como la piedra caliza, la dolomita y el yeso se sumergen bajo el agua, donde los minerales se disuelven lentamente en el agua circundante. El agua más pesada luego se hunde bajo la fuerza de la gravedad y los flujos forman gradualmente topografías kársticas. Cuando el agua retrocede, emergen los pilares y los bosques de piedra.

En la superficie, estos bosques de piedra se parecen bastante a «penitentes«: pilares nevados de hielo que se forman en el aire muy seco que se encuentran en lo alto de los glaciares andinos. Algunos físicos han sugerido que penitentes forma cuando la luz solar evapora la nieve directamente en vapor, sin pasar por una fase acuosa (sublimación). Se forman diminutas crestas y depresiones, y la luz del sol queda atrapada dentro de ellas, creando un calor adicional que crea canales aún más profundos, y esas superficies curvas a su vez actúan como una lente, acelerando aún más el proceso de sublimación. Un propuesta alternativa añade un mecanismo adicional para dar cuenta del espaciamiento fijo extrañamente periódico de los penitentes: una combinación de difusión de vapor y transporte de calor que produce un gradiente de temperatura pronunciado y, por lo tanto, una tasa de sublimación más alta.

Los físicos han podido recrear versiones artificiales de penitentes en el laboratorio. Pero los penitentes y los bosques de piedra son en realidad bastante diferentes en términos de los mecanismos involucrados en su formación. «Creo que las similitudes son bastante superficiales», dijo Ristroph. «Ciertamente, el proceso de ‘esculpir’ es muy diferente en términos de los principales efectos impulsores. Principalmente, nuestros picos están muy tallados por flujos, que no creo que jueguen un papel importante en la formación de penitentes».

Por supuesto, los investigadores de la NYU lograron sus resultados en condiciones idealizadas, de manera deliberada, según los autores, para identificar y caracterizar mejor claramente el proceso de afilado, el mecanismo subyacente y la estructura matemática. Como resultado, «este estudio revela un conjunto mínimo de ingredientes esenciales para los motivos de la aguja y la base de las uñas», escribieron los autores. En el futuro, esperan probar más a fondo este proceso de formación en diferentes condiciones ambientales en el laboratorio, como la forma en que la precipitación y la escorrentía superficial, o estar enterrado bajo sedimento suelto, podría afectar la formación del pináculo.

DOI: PNAS, 2020. 10.1073 / pnas.2001524117 (Acerca de los DOI).

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