Ze stropu jaskini spada kropla. Trafia na wierzchołek kamiennego słupka, rozpływa się i pozostawia odrobinę mineralnego osadu. Po niezliczonych powtórzeniach stalagmit staje się coraz wyższy. Dlaczego jednak nie może rosnąć jako coraz cieńsza igła? Czy wystarczy, by woda kapała odpowiednio rzadko?

Z części dotychczasowych modeli wynikało, że tak jest: im mniejszy dopływ wody, tym węższy naciek. W jaskiniach nawet bardzo smukłe stalagmity mają jednak zwykle grubość liczoną w centymetrach. Badacze z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego pokazali, jaki mechanizm może odpowiadać za tę prawidłowość. Wyniki opublikowali w „Journal of Fluid Mechanics” (doi: 10.1017/jfm.2026.11986).

Stalagmit rośnie od dna jaskini ku górze. Buduje go między innymi kalcyt, czyli krystaliczna postać węglanu wapnia. Woda kapiąca ze stropu zawiera rozpuszczone składniki, z których może wytrącić się ten minerał. Każda kropla dokłada do konstrukcji znikomą porcję budulca.

W wielu obliczeniach taką dostawę opisywano jako ciągły dopływ wody, uśredniając kolejne krople. To użyteczne przy częstym kapaniu. Gdy jednak krople spadają z długimi przerwami, znaczenie ma każda z nich z osobna. Zmniejszenie częstotliwości kapania nie oznacza przecież, że same krople stają się dowolnie małe.

Warszawscy fizycy przyjrzeli się więc temu, co dzieje się już po uderzeniu kropli. Woda rozpływa się po wilgotnym wierzchołku pod wpływem grawitacji. Tworzy coraz cieńszą warstwę, a jednocześnie odkłada kalcyt. Budulec stopniowo znika z roztworu. O tym, ile osadu pozostanie w danym miejscu, decyduje zarówno ruch cieczy, jak i szybkość wytrącania minerału.

Te dwa procesy trzeba policzyć razem. Kropla nie pozostaje nieruchomą kałużą, z której powoli wyrasta kamień. Nie kończy też swojej pracy w chwili rozprysku. Po krótkim uderzeniu następuje znacznie dłuższy etap rozpływania się wody i odkładania osadu.

Badacze obliczyli, ile kalcytu jedna kropla pozostawi na samym szczycie. Następnie zestawili tę wielkość z całkowitą ilością dostępnego budulca. Założyli, że dojrzały stalagmit rośnie ku górze, zachowując kształt. Wtedy ilość minerału i przyrost wysokości wyznaczają powierzchnię przekroju kolumny. Z równań wynika szerokość, która nie maleje do zera nawet przy bardzo rzadkim kapaniu.

Dla temperatury około 10 stopni Celsjusza i kropli o objętości 0,07 mililitra otrzymali minimalną średnicę kolumny wynoszącą około czterech centymetrów. Wynik jest mało wrażliwy na część zmian warunków: podwojenie objętości kropli zwiększa przewidywaną grubość stalagmitu tylko o około 30 procent.

Obliczenia autorzy porównali z opublikowanymi wcześniej pomiarami nacieków w dawnej kopalni Browns Folly w Anglii. Większość okazów mieściła się powyżej wyznaczonej granicy. Były też mniejsze. Zdaniem fizyków mogły to być formy, które nie zdążyły jeszcze osiągnąć dojrzałego kształtu. To możliwe wyjaśnienie wyjątków, wymagające dalszego sprawdzenia.

Model opisuje szczególny przypadek: krople padają niemal w to samo miejsce i mają czas rozpłynąć się oraz oddać nadmiar minerału przed kolejnym uderzeniem. Rozpryski, zmienny punkt kapania czy zaokrąglony wierzchołek mogą poszerzać naciek. Cztery centymetry nie są więc zakazem istnienia mniejszych form, lecz przewidywaniem dla określonego sposobu wzrostu.

Stalagmity przechowują w swoich warstwach informacje o dawnym środowisku i klimacie. Aby czytać ten zapis, trzeba rozumieć, jak powstają. Wyniki prac pokazują, że nawet szerokość kamiennej kolumny może zależeć od procesów zachodzących w jednej, pozornie niepozornej kropli. (PAP)

Nauka w Polsce

kmp/ zan/