Il y a beaucoup de merveilleuses formations géologiques dans la nature, de La Chaussée des Géants en Irlande à Tour de Castleton dans l’Utah, et les divers processus par lesquels ces structures se forment sont d’un intérêt de longue date pour les scientifiques. Une équipe de mathématiciens appliqués de l’Université de New York s’est tournée vers les soi-disant «forêts de pierres» communes dans certaines régions de Chine et de Madagascar. Ces formations rocheuses pointues, comme le célèbre Forêt de pierre dans la province chinoise du Yunnan, sont le résultat de la dissolution de solides dans des liquides en présence de gravité, ce qui produit des écoulements convectifs naturels, selon l’équipe de NYU. Ils ont décrit leurs découvertes dans un article récent Publié dans Les actes de la National Academy of Sciences.

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Le co-auteur Leif Ristroph a déclaré à Ars que son groupe du Applied Math Lab de NYU s’était intéressé à l’étude des forêts de pierre (techniquement un type de topographie karstique) par une voie quelque peu indirecte. Ils utilisaient des simulations et des expériences pour explorer les formes intéressantes qui évoluent dans les paysages en raison d’un certain nombre de processus de «mise en forme», notamment l’érosion et la dissolution.

“Nous avons découvert pour la première fois les pointes formées par dissolution lorsque nous avons laissé des bonbons dans un réservoir d’eau et sommes revenus plus tard pour trouver une flèche en forme d’aiguille”, a-t-il déclaré. “L’étudiant diplômé, le premier auteur Mac Huang, s’est même accidentellement coupé en admirant la forme. Cela nous a attiré dans le problème, et nous étions très excités quand nous avons réalisé le lien avec les pinacles de pierre et les forêts de pierre, qui ont été assez mystérieux. dans leur développement. Nous espérons que nos expériences racontent une simple «histoire d’origine» derrière ces reliefs. “

Afin de tester leurs simulations en laboratoire, l’équipe a combiné du sucre de table granulé, du sirop de maïs et de l’eau dans des moules pour fabriquer des blocs et des piliers uniques de bonbons solidifiés (crack dur) – une approximation des roches solubles qui forment généralement des topographies karstiques. . Le moule pour les blocs comprenait des rangées de tiges métalliques verticales pour “ensemencer” les blocs avec des pores pour une approximation encore plus proche. Ils ont placé ces blocs de bonbons et ces piliers dans un réservoir en plexiglas rempli d’eau dégazée à température ambiante, suffisamment profond pour que les sucres dissous se déposent au fond, loin des objets testés. Ils ont capturé le processus de dissolution en prenant des photographies numériques à des intervalles d’une minute.

Vous pouvez regarder une vidéo chronométrée de l’expérience ici, dans lequel un bloc de bonbons qui se dissout se transforme en un réseau de pointes acérées ressemblant à un lit de clous. Le bloc commence avec des pores internes et est entièrement immergé sous l’eau, où il se dissout et devient une “forêt de bonbons” avant de s’effondrer.

Cela se produit même dans l’eau calme. “Nous avons constaté que le processus de dissolution lui-même génère les flux responsables de la sculpture de la forme de la pointe”, a déclaré Ristroph. «Fondamentalement, le minéral – ou, dans nos expériences, les bonbons à la sucette servant de« faux rocher »- se dissout et le fluide environnant devient lourd puis s’écoule vers le bas en raison de la gravité. Ainsi, notre mécanisme ne nécessite aucune condition d’écoulement particulière ou autre ou circonstances environnementales: la recette consiste simplement à se dissoudre en liquide et en gravité. “

Ristroph et coll. suggèrent qu’un mécanisme similaire est à l’œuvre dans la formation des forêts de pierre, juste à une échelle de temps beaucoup plus longue. Les roches solubles comme le calcaire, la dolomite et le gypse sont submergées sous l’eau, où les minéraux se dissolvent lentement dans l’eau environnante. L’eau plus lourde coule alors sous l’effet de la gravité vers le bas et les écoulements forment progressivement des topographies karstiques. Lorsque l’eau se retire, les piliers et les forêts de pierre émergent.

En surface, ces forêts de pierre ressemblent plutôt à “pénitentes“: des piliers de glace enneigés qui se forment dans l’air très sec trouvés haut dans les glaciers andins. Quelques physiciens ont suggéré que penitentes forme quand la lumière du soleil évapore la neige directement en vapeur, sans passer par une phase aqueuse (sublimation). De minuscules crêtes et creux se forment et la lumière du soleil y est emprisonnée, créant une chaleur supplémentaire qui creuse des creux encore plus profonds, et ces surfaces incurvées agissent à leur tour comme une lentille, accélérant encore plus le processus de sublimation. Une proposition alternative ajoute un mécanisme supplémentaire pour tenir compte de l’espacement fixe étrangement périodique des pénitentes: une combinaison de diffusion de vapeur et de transport de chaleur qui produit un gradient de température raide, et donc un taux de sublimation plus élevé.