Ondergrondse waterkanalen bewaren oude klimaatgegevens in hun vorm
Oplossingsbuizen uit verschillende locaties: (A) Smerdyna, Polen; (B) Guilderton, Australië; en (C) Swanscombe, Engeland. Water hervormt de aarde door langzame, krachtige erosie en snijdt complexe landschappen zoals grotten en pieken in oplosbare gesteenten zoals kalksteen. Een internationaal team van de Faculteit Natuurkunde aan de Universiteit van Warschau, de Universiteit van Florida en het Instituut voor Aardwetenschappen in Orléans heeft ontdekt dat verticale kanalen, bekend als karstische oplossingsbuizen, een record van de klimatologische geschiedenis van de aarde behouden.
Hun studie, gepubliceerd in Physical Review Letters, onthult dat deze buizen in de loop van de tijd evolueren naar een invariant vorm, een vaste, ideale vorm die onveranderd blijft naarmate de buizen dieper worden en oude neerslagpatronen vastleggen. Met behulp van microfluïde experimenten bootsen de onderzoekers dit proces in miniatuur na door water in kanalen in gips beklede cellen te etsen. “We observeerden iets opmerkelijks,” zegt Stanisław Żukowski, Ph.D. kandidaat aan de Faculteit Natuurkunde van de Universiteit van Warschau en de Université Paris Cité, de eerste auteur van het artikel. “Vanuit een chaotische start overleefden slechts enkele kanalen, die zich vestigden in een stabiele, invariant vorm die dieper groeide zonder van vorm te veranderen. Dit weerspiegelt het gedrag van karstische buizen in de natuur.”
Complexiteit van de wiskundige formule
Het afleiden van de wiskundige formule voor deze vorm was complex. “Het vastleggen van de invariant vorm vereiste geavanceerde wiskundige hulpmiddelen, waarbij vloeistofdynamica en reactief transport werden samengevoegd om te modelleren hoe grondwater, aangedreven door neerslag, deze buizen vormt,” zegt Prof. Piotr Szymczak van de Faculteit Natuurkunde, Universiteit van Warschau, de corresponderende auteur. “De formule onthult hoe zware neerslag de beweging van grondwater versnelt, waardoor langwerpige buizen ontstaan die in hun vorm de eerdere neerslagomstandigheden registreren.”
De geheimen van de natuur ontrafelen
Door deze vormen te bestuderen, kunnen wetenschappers het klimaatverleden van de aarde reconstrueren. Inzicht in deze patronen is ook cruciaal voor het voorspellen van hoe water door ondergrondse reservoirs beweegt, wat gevolgen heeft voor alles van grondwaterbeheer tot CO₂-opslag en zelfs olie-extractie. Deze studie maakt deel uit van een bredere inspanning om te begrijpen hoe eenvoudige natuurkundige wetten complexe natuurlijke structuren voortbrengen. Net zoals sneeuwvlokken en rivierdelta’s wiskundige regels volgen, zo ook de stille, verborgen processen van gesteentevernichting. De ontdekking van een invariant vorm voor oplossingsvingers is een stap in de richting van het ontrafelen van de geheime blauwdruk van de natuur, druppel voor druppel.
