Noen av de mest fantastiske konstruksjonsmessene er ikke bygd av arkitekter eller tegnet av kunstnere. Fra Bryce Canyon til Elbe Sandstone Mountains i Sentral-Europa, sandsteinsbuer, alkover og søyler rundt hele kloden ser påfallende ut som de samme funksjonene i menneskeskapt arkitektur. Så, hvordan gjør naturen det?
Relatert innhold
- Hva er alle måtene landet kan forsvinne under føttene dine?
En studie publisert i går i Nature Geosciences antyder at en tilbakemeldingssyklus av stress og erosjon kan være bak disse naturlige undrene.
I følge et team av forskere fra Tsjekkia, fjerner erosjon gradvis sandkorn, noe som legger vekten av fjellet på resten av kornene og får dem til å tette sammen. Når kornet blir trukket av fjellet, blir vekten ujevn, og kornene i områder som har mer vekt eller gravitasjonsstress er vanskeligere å erodere - etterlater seg buene, alkovene og søylene som menneskelige turister kan beundre.
Forskere begynte først å beskrive og klassifisere disse naturlige arkitektoniske trekkene for mer enn 150 år siden, men til og med moderne forskeres teorier om hvordan sandsteinsbuer og -søyler danner forskjellig ganske mye. For eksempel tilskriver noen geologer buer på Colorado-platået for å undergrave bunnen av berget, mens andre tror brudd i berget produserte dem.
På samme måte hevder noen forskere at strømmen av erosjonskårne hulesøyler i Venezuelanske huler, mens andre peker på erosjon som vasker alt bort, men kornene som sementerte sammen etter å ha blitt gjennomvåt i fingrene med væske som sivet inn i de myke steinene. De fleste forklaringer er basert på feltobservasjoner og studier av bergprøver under mikroskop, og teorier varierer fra land til land. Ingen hadde kommet frem til en underliggende mekanisme som generelt passer til hvert scenario.
Delikat bue sett bakfra ved solnedgang, Arches nasjonalpark, Utah, USA. (Foto: Michael Atman) 
Dobbel O Arch før en storm i Devil's Garden, Arches National Park, Utah, USA. (Foto: Michael Atman) 
Pravcicka Brana Arch, et ikonisk eksempel på sandsteinsarkitektur i den bohemske Sveits nasjonalpark, Tsjekkia. (Foto: Vaclav Sojka) 
Delicate Arch, Arches National Park, Utah, USA. (Foto: Jaroslav Soukup) 
Hulepilarer i Cueva Colibri i Charles Brewer-hulesystemet i Venezuela. (Foto: Libor Lanik) Det tsjekkiske laget ønsket å ta en annen tilnærming. Mens de gjorde feltarbeid i Strelec-steinbruddet i det bohemske krittbassenget, la de merke til at små buer og søyler - bare rundt 2 meter høye på det meste - dannet seg ut av sandsteinen i løpet av bare måneder eller år, snarere enn tusenårsskalaene knyttet til stor geologisk arkitektur. .
"Det var tydelig at prosesser som var ansvarlige for dem, opererte på det nåværende tidspunkt i steinbruddet, og prosessene kan derfor isoleres og forklares potensielt, " sier Jiri Bruthans, geolog ved Charles University i Praha og medforfatter på studien.
Hvorfor ikke prøve å lage disse landformene på laboratoriet? Bruthans og kollegene startet med å observere hvordan sandstein oppfører seg under stress. De kuttet kuber av sandstein fra Strelec-steinbruddet, senket dem i vann og utøvde vertikal kraft øverst på kuben for å simulere stresset som sandkorn i steinen føler fra steiner over dem.
Uten vertikal spenning ble kubene gradvis sønderdelt i individuelle korn. Derimot, under økende vertikal belastning, kastes kuben gradvis bort til en timeglassformet søyle. Se selv i videoen opprettet av forfatterne for å supplere papiret:
Kritisk nok inneholder ikke sandsteinen fra Strelec sementerende mineraler som hjelper til å binde sandpartiklene sammen. I stedet fant forfatterne at belastningen som er lagt på sandsteinen får mineraler til å låse seg sammen og holde berget sammen.
Det tsjekkiske laget kom med en mekanisme for å forklare pilarformasjonen, og numerisk modellering bekreftet mistankene deres. I utgangspunktet bæres belastningen i sandsteinsblokken ujevnt, med noen sandsteinkorn som har mer vekt enn andre. Vann kan lett sive inn i bergens porer - rommet mellom kornene - og erodere biter av sand, men korn som fører mer av belastningen er vanskeligere å trekke bort.
Tenk på det som en tørr murvegg. "Det er lett å trekke ut murstein fra toppen av veggen, men vanskelig å trekke teglstein fra bunnen, mens den er lastet, " sier Bruthans. Når vannet trekker fra seg sandkorn, fører færre og færre korn mer av belastningen, og spenningen mellom kornene øker, og binder dem tettere sammen og gjør dem mer motstandsdyktige mot erosjon.
Noen sandsteiner inneholder imidlertid sementeringsmidler. Så, forskerne tok prøve av sementert sandstein fra Tsjekkia, Venezuela og USA. Å utsette disse sementerte kuber for salt og frostforvitring produserte også timeglasssøyler når de ble vektet, og ubelastede terninger gikk i oppløsning fire ganger raskere. Sementeringsmaterialene løses opp med erosjon, og dermed blir sementerte terninger utsatt for de samme spenningskreftene som spiller i usementerte kuber.
Det er klart, erosjon kan komme i forskjellige former også. Så forskerne simulerte nedbør og rennende vann i laboratoriet for å se om det kan ha en annen effekt. I alle tilfeller var belastede terninger mer motstandsdyktige mot erosjon enn ubelastede terninger, noe som viser at stress var nøkkelfaktoren.
Forskerne skapte et "bue-lignende bergvindu", ved å binde sandstein med en plastsylinder og kutte kunstige "brudd" i berget. Nedsenking i vann forårsaket hurtig forming til en relativt stabil ringform. (Bilder: Michal Filppi) Utover pilarene prøvde forskerne også å lage buer og alkove på laboratoriet. De fant ut at formen bergartet danner avhenger av geometrien til den første eksponerte hunken av sandstein. Kuber med små, sentrale horisontale sprekker produserte buer. Delvis horisontale kutt i kubene produserte alkover. Og vertikale sprekker ser ut til å hjelpe til med å lage vertikale søyler eller søyler. Også forskjellige erosjonsprosesser kan produsere samme form, hvis de starter med lignende bergarter.
En frittstående bue ble opprettet i laboratoriet ved delvis nedsenking av lastet blokk med sandstein med en liten åpning i nærheten av basen. Over tid ble åpningen bredere og penetrerte sandsteinen og skapte en bue. (Foto: Marek Janáč, Vesmir.cz) Gitt dette krever forfatterne en mer nyansert forklaring på hvordan buer og søyler dannes i sandstein. ”Vi skal ikke si at erosjon eller forvitring skåret formene, da det var stressfeltet som gir formene formen. Erosjonsprosesser er bare verktøy som styres av stress, forklarer Bruthans.
At en så enkel mekanisme kan skape så vakre strukturer, kontrasterer vårt menneskelige syn på hva som inngår i kunst eller arkitektur som er estetisk tiltalende. "For å lage perfekte former trenger du ikke intelligens eller planlegging, " sier Bruthans. Faktisk “motsatt er sant for naturen. De fleste perfekte ting er laget av enkle mekanismer. ”
