Jotkut upeimmista rakenneominaisuuksista eivät ole arkkitehtien rakentamia tai taiteilijoiden veistämiä. Bryce Canyonista Keski-Euroopan Elben hiekkakivelle, hiekkakivikaaret, alkovet ja pylväät ympäri maailmaa näyttävät hämmästyttävän samanlaisilta kuin ihmisen tekemän arkkitehtuurin samat piirteet. Joten miten luonto tekee sen?
Asiaan liittyvä sisältö
- Mitkä ovat kaikki tapoja, jotka maa voi kadota jalkojen alle?
Eilen Nature Geosciences -yrityksessä julkaistu tutkimus viittaa siihen, että stressin ja eroosion palautekierros saattaa olla näiden luonnollisten ihmeiden takana.
Tšekin tasavallasta peräisin olevan tutkijaryhmän mukaan eroosio poistaa vähitellen hiekkajyvät asettamalla kiven painon lopulliseen jyviin ja aiheuttaen niiden lukittumisen tiiviimmin. Kun jyvät vedetään irti kalliosta, paino muuttuu epätasaisesti, ja viljat eroosioituvat vaikeammin alueilla, joilla on enemmän painoa tai painovoimaa, jättäen kaarit, alkovet ja pylväät ihmisten turistien ihailemaan.
Tutkijat alkoivat ensin kuvata ja luokitella näitä luonnollisia arkkitehtonisia piirteitä yli 150 vuotta sitten, mutta jopa nykyajan tutkijoiden teoriat siitä, kuinka hiekkakivikaaret ja pilarit muodostavat, eroavat melko vähän. Esimerkiksi jotkut geologit omistavat Colorado-tasangon kaaria alta jättävän kallion pohjan, kun taas toiset ajattelevat, että kallion murtumat ovat tuottaneet ne.
Samoin jotkut tutkijat väittävät, että puroerosioveistettyjä luolapilareita Venezuelanluolissa toiset taas viittaavat eroosioon, joka pese kaiken pois, mutta jyvät, jotka sementoituvat yhdessä sen jälkeen, kun ne ovat upotettu nesteiden sormiin, jotka vuotavat pehmeisiin kiviin. Suurin osa selityksistä perustuu kenttähavaintoihin ja kallionäytteiden tutkimuksiin mikroskoopin alla, ja teoriat vaihtelevat alueittain. Kukaan ei ollut keksinyt perustana olevaa mekanismia, joka yleensä sopisi kuhunkin skenaarioon.
Hieno kaari takaa katsottuna auringonlaskun aikaan, Archesin kansallispuisto, Utah, USA. (Kuva: Michael Atman) 
Double O Arch ennen myrskyä Paholaisen puutarhassa, Archesin kansallispuistossa, Utahissa, USA. (Kuva: Michael Atman) 
Pravcicka Brana Arch, ikoninen esimerkki hiekkakiven arkkitehtuurista Böömin Sveitsin kansallispuistossa, Tšekissä. (Kuva: Vaclav Sojka) 
Herkullinen kaari, Archesin kansallispuisto, Utah, USA. (Kuva: Jaroslav Soukup) 
Luolapilarit Charles Brewer -luolijärjestelmän Cueva Colibrissa Venezuelassa. (Kuva: Libor Lanik) Tšekin joukkue halusi noudattaa erilaista lähestymistapaa. Tehdessään kenttätöitä Böömin liittotasavallan Strelecin louhoksessa, he huomasivat, että pienet kaarit ja pylväät - korkeintaan noin 2 jalkaa korkeat - muodostuivat hiekkakivestä vain kuukausien tai vuosien ajan, eikä tuhansien vuosien mittakaavoihin, jotka liittyivät suureen geologiseen arkkitehtuuriin .
"Oli selvää, että heistä vastuussa olevat prosessit toimivat tällä hetkellä louhoksessa ja siten prosessit voidaan potentiaalisesti eristää ja selittää", sanoo Prahan Charlesin yliopiston geologi Jiri Bruthans ja tutkimuksen yhteistekijä.
Miksi et yritä tehdä näitä maanmuotoja laboratoriossa? Bruthans ja hänen kollegansa aloittivat tarkkailemalla kuinka hiekkakivi käyttäytyy stressin alla. He leikkasivat hiekkakiven kuutioita Strelec-louhoksesta, upottivat ne veteen ja kohdistivat kuution yläosaan pystysuoran voiman simuloidakseen stressiä, jonka kivihiekka tuntee niiden yläpuolella olevista kivistä.
Ilman pystysuuntaista rasitusta kuutiot hajosivat vähitellen yksittäisiksi jyvinä. Sitä vastoin kasvavan pystysuuntaisen jännityksen ollessa kuutio hukkaantui vähitellen tiimalasimuotoiseen pylvääseen. Katso itse videosta, jonka tekijät ovat luoneet täydentääkseen artikkeliaan:
Kriittisesti, Strelecin hiekkakivi ei sisällä sementtimineraaleja, jotka auttavat sitomaan hiekkapartikkelit toisiinsa. Sen sijaan tekijät havaitsivat, että hiekkakivelle aiheutuva stressi aiheuttaa mineraalien lukkiutumisen ja pitämisen kiven kanssa yhdessä.
Tšekin joukkue keksi mekanismin selittää pylvään muodostuminen, ja numeerinen mallintaminen vahvisti heidän epäilyksensä. Pohjimmiltaan kuormitus hiekkakiven lohkossa kulkee epätasaisesti, ja joillakin hiekkakiveillä on enemmän painoa kuin toisilla. Vesi voi helposti valua kallion huokosiin - jyvien väliseen tilaan - ja tyhjentää hiekkapaloja, mutta jyvät, jotka kantavat enemmän kuormaa, ovat vaikeampia vetää pois.
Ajattele sitä kuin kuiva tiiliseinä. "Tiiliä on helppo vetää seinän yläpuolelta, mutta tiiliä alhaalta, koska se on ladattu", Bruthans sanoo. Kun vesi vetää hiekkajyviä pois, vähemmän ja vähemmän jyviä kuljettaa enemmän kuormaa, ja jyvien välinen rasitus kasvaa, sitomalla ne tiiviimmin toisiinsa ja tekemällä niistä eroosionkestävämpiä.
Jotkut hiekkakivet sisältävät kuitenkin sementointiaineita. Joten tutkijat ottivat sementoidun hiekkakiven Tšekin tasavallasta, Venezuelasta ja Yhdysvalloista. Näiden sementoitujen kuutioiden altistaminen suolalle ja pakkassään vaikutuksesta tuotti myös tiimalasipylväät painotettaessa, ja tyhjät kuutiot hajosivat neljä kertaa nopeammin. Sementointimateriaalit liukenevat eroosion seurauksena, ja siten sementoituihin kuutioihin kohdistuu samat jännitysvoimat pelaamattomissa kuutioissa.
Ilmeisesti eroosio voi tapahtua myös eri muodoissa. Joten tutkijat simuloivat laboratoriossa sadetta ja virtaavaa vettä nähdäkseen, olisiko sillä erilainen vaikutus. Kaikissa tapauksissa kuormitetut kuutiot olivat kestävämpiä eroosion suhteen kuin purkamattomat kuutiot, mikä osoitti, että stressi oli avaintekijä.
Tutkijat loivat ”kaaremaisen kallioikkunan” sitomalla hiekkakiven muovisylinterillä ja leikkaamalla keinotekoiset “murtumat” kallioon. Upotus veteen aiheutti nopean muotoilun suhteellisen vakaaseen renkaan muotoon. (Valokuvat: Michal Filppi) Pylväiden lisäksi tutkijat yrittivät myös tehdä kaaria ja alkoveja laboratoriossa. He havaitsivat, että kalliomuodon muoto riippuu hiekkakiven alkuperäisen paljaan kimpaleen geometriasta. Kuutiot, joissa on pieniä, keskeisiä vaakasuoria halkeamia, tuottivat kaaria. Osittain vaakasuorat leikkaukset kuutioiksi tuottivat alkoveja. Ja pystysuorat halkeamat näyttävät auttavan pystysuorien pylväiden tai pylväiden tekemisessä. Erilaiset eroosioprosessit voivat myös tuottaa saman muodon, jos ne alkavat samanlaisilla kivillä.
Vapaasti seisova kaari luotiin laboratorioon upottamalla osittain lastattua hiekkakivestä pienellä aukolla pohjan lähellä. Ajan myötä aukko laajeni ja tunkeutui hiekkakiven lohkoon luomalla kaari. (Kuva: Marek Janáč, Vesmir.cz) Tämän takia kirjoittajat vaativat yksityiskohtaisempaa selitystä siitä, kuinka kaaret ja pylväät muodostuvat hiekkakivestä. ”Meidän ei pidä sanoa, että muodot veistettiin eroosion tai sään takia, koska muodot muotoille annettiin jännityskentällä. Eroosioprosessit ovat vain stressin hallitsemia työkaluja ”, Bruthans selittää.
Se, että tällainen yksinkertainen mekanismi voisi luoda niin kauniita rakenteita, on ristiriidassa ihmisen näkemyksen kanssa siitä, mikä menee taiteeseen tai arkkitehtuuriin, mikä on esteettisesti miellyttävää. "Perinteisten muotojen luomiseksi ei tarvita älykkyyttä tai suunnittelua", Bruthans sanoo. Itse asiassa ”luonnossa on päinvastoin. Täydellisimmät asiat tehdään yksinkertaisilla mekanismeilla. ”
