 |
Jan Woreczko & Wadi |
|
Jan Woreczko & Wadi |
  |
    |
 |
|
„Efekt brazylijskiego orzecha” |
|
Wadi i kamienie, których jeszcze wczoraj tu nie było ;-) Ze stwierdzeniem „ziemia rodzi kamienie” zetknął się chyba każdy. Rolnicy co roku, najczęściej na wiosnę, po każdej orce zbierają z pól kamienie i układają na ich obrzeżach w sterty (tzw. kupiskole). Powszechnie panuje wiara, że „ziemia rodzi kamienie”. Wytłumaczeniem tego zjawiska są nierównomierne ruchy gruntu, spowodowane zmianami jego objętości wskutek cyklicznego zamarzania i rozmarzania (dotyczy to luźnych osadów, gleb i piasków[a]). Tworzące się w glebie kryształy (ziarna) lodu mają większą objętość i z dużą siłą wypychają nawet duże kamienie w górę, ku powierzchni. W dzień, kiedy wzrasta temperatura i lód się topi, kamienie nie mogą już opaść w dół, gdyż przestrzeń pod nimi zajęły drobne ziarna gleby. Wielokrotne powtarzanie się tego procesu, dzień w dzień, powoduje że duże kamienie zostają wypchnięte na powierzchnię i... „mącą w głowach”. Uwagi geologa Podobne zjawisko „rodzenia kamieni” obserwujemy na pustyniach. Odpowiedzialny jest za to inny proces, ale efekt ten sam. |
|
Czy ma to jakiś związek z meteorytami? Oczywiście! |
|
Wielokrotnie zastanawiało mnie, w jaki sposób na pustyni w miejscach już przeszukanych w następnym roku znajduję kolejne okazy
meteorytów. Z własnego doświadczenia wiem, że wracając na miejsce, które odwiedziłem już parę lat wcześniej, mam dużą szansę ponownie znaleźć meteoryty,
które „urodziła pustynia”. Wcześniej ich tam nie było! 
Odwiany chondryt Przez tysiące lat na powierzchnię pustyni spadają kamienie z nieba. Wiejące wiatry często zasypują takich kosmicznych gości pod grubą warstwą piachu, grzebiąc ich na kolejne tysiąclecia. Atmosfera Ziemi nie jest układem w stanie równowagi. Kierunki wiatrów zmieniają się z czasem. Teren, na który kiedyś był nawiewany piasek, nagle zaczyna być odwiewany. Czarne kamienie z nieba ponownie mają szansę wydostać się na powierzchnię. Taka rzeźbotwórcza działalność wiatru nazywana jest ogólnie procesami eolicznymi, a odwiewanie piasku – deflacją. To dzięki procesowi deflacji powierzchnia pustyni się „wypłaszcza” i obniża się jej poziom, dając szansę na wydobycie się zagrzebanych meteorytów ku powierzchni. Trzeba również zaznaczyć, że poza różnym pofałdowaniem powierzchni, pustynia nie jest jednorodna co do składu. Tam gdzie odsłoniła się skała, procesy deflacji słabną lub nawet zanikają. Rozważamy obszary gdzie występuje jeszcze spora miąższość materiału sypkiego (piasek). Proces deflacji jest głównym sprawcą wychodzenia meteorytów na powierzchnię pustyni, ale może istnieją dodatkowe procesy to przyspieszające?! To co kilkadziesiąt tysięcy lat temu pogrzebała pustynia z czasem może zacząć się odsłaniać za sprawą deflacji. Jest to główny czynnik odpowiedzialny za odsłanianie się coraz starszych meteorytów na pustyniach kamiennych. Jednak proces ten zachodzi często „powoli”, a mnie intrygowało, w jaki sposób w przeciągu zaledwie kilkunastu miesięcy na przeszukanym terenie znajduję kilkukilogramowy okaz leżący na powierzchni!
Aby wyjaśnić ten „paradoks” trzeba uwzględnić inne procesy, którym podlegają duże, czarne kamienie na białej pustyni pokrytej małymi kamieniami. Jednym z dodatkowych procesów za to odpowiadających może być zjawisko zwane „efektem brazylijskiego orzecha”.
|
|
„Efekt brazylijskiego orzecha” |
„Efekt brazylijskiego orzecha” ('Brazil nut effect') polega na wydobywaniu się dużych przedmiotów na powierzchnię mieszaniny małych przedmiotów podczas potrząsania. Przy potrząsaniu mieszaniny różnej wielkości orzechów, duże orzechy (brazylijskie) wychodzą na wierzch! Więcej o tym zjawisku można przeczytać na Wikipedi [Wiki: Granular convection] Fizyka materiałów sypkich niesie za sobą wiele niespodzianek!
Brazil Nut Effect W domu można samodzielnie przeprowadzić ciekawy eksperyment. Do wysokiej menzurki (ewentualnie wysokiego szklanego naczynia) należy wsypać żwir o możliwie dużej różnorodności wielkości ziaren i dodać trochę większych kamyków. Tak wypełnionym naczyniem należy teraz energicznie, ale o małej amplitudzie, potrząsać utrzymując je w pozycji pionowej. Już po chwili zaobserwujemy, że większe kamienie (ziarna) zaczynają wędrować ku górze mieszaniny, natomiast najdrobniejsza frakcja (pył!) zaczyna opadać na dno. Po dłuższym czasie dokona się bardzo wydajnie separacja materiału – odwrotna gradacja. 
Bounce Balls Jeszcze większa niespodzianka czeka nas, jeśli w naszej mieszaninie zakopiemy przedmiot o większym ciężarze właściwym, np. małą śrubkę z metalu. Tu już nie mamy do czynienia z materiałem o jednakowej gęstości, jak w pierwszym doświadczeniu, ale wkładamy przedmiot cięższy i z analogi z fizyki cieczy oczekujemy, że w wyniku dalszego wytrząsania śrubka „utonie” w żwirze. Ale tak się nie dzieje. Metalowa śrubka wędruje ku powierzchni! {tu animacja} Moja hipoteza („efekt brazylijskiego orzecha” wypycha meteoryty ku powierzchni) Duże dobowe wahania temperatury na pustyni (od 4 do ponad 40oC) powodują nagrzewanie się piasku w dzień i jego stygnięcie w nocy. Rozszerzalność cieplna substancji powoduje zmianę jej objętości. Powoduje to drobne ruchy materiału, które są mikroskopowym odpowiednikiem wytrząsania. Cykliczność tego procesu, dzień po dniu, powoduje powolną wędrówkę dużych kamieni (meteorytów) ku powierzchni pustyni. Proces deflacji odsłania meteoryty, ale może go też przyspieszać „efekt brazylijskiego orzecha”?! Istnieje jednak pewna graniczna gęstość naszej śrubki, powyżej której, w trakcie wytrząsania zacznie ona jednak „tonąć”. Taki już bardzo ciężki przedmiot (o większej gęstości) będzie bardziej konkurował z małymi ziarenkami w wypełnianiu powstałych pod nim małych pustych przestrzeni – rozpychając się będzie się „zanurzał” zamiast „wypływać”. Ogólny model wyznaczający parametry przy jakich duży, ciężki kamień będzie wypychany na powierzchnię pustyni jest bardzo złożony i zależny od wielu dodatkowych czynników, ale na nasze potrzeby można przytoczyć jeden z rezultatów (za Portalem Wiedzy) (...) Z modelu stworzonego przez fizyków wynika np., że jeżeli substancja sypka A składa się z granulek dwa razy większych i dwa razy cięższych od granulek substancji B, w czasie ich mieszania dojdzie do rozdzielenia kawałków większych od mniejszych. Jeżeli natomiast A są dwa razy większe, ale aż sześć razy cięższe od B, pozostaną na dnie.(...) Wyniki grupy fizyków z Lehigh University z USA opublikowanych w „Physical Review Letters” W miesięczniku matematyczno-fizycznym DELTA znajduje się fajnie opisany i zilustrowany podobny eksperyment z różnymi monetami – DELTA 04/2005.
|
|
|
|
Gdy w wyniku procesu deflacji jakiś mały fragment kamienia zacznie już wystawać nad powierzchnię następuje dodatkowe przyspieszenie procesu wypychania. Jako jeszcze jeden czynnik wpływający na tempo wynurzania się czarnych kamieni na pustyni, należy wziąć pod uwagę różnice w kolorze kamienia i otaczającego go piasku. Czarne kamienie bardzo się nagrzewają i w wyniku rozszerzalności cieplnej „rozpychają się” dodatkowo w środowisku drobnych ziaren – „zajmując” więcej przestrzeni. Ponieważ aby się rozepchnąć należy pokonać opory otoczenia, kamień będzie miał większą tendencję do podnoszenia nad sobą piasku, niż „wciskania się” w bardziej zwarte podłoże pod sobą {tu animacja}.
W wyniku powolnego procesu deflacji, któregoś dnia mały fragment zakopanego meteorytu wynurza się na powierzchnię, jego wędrówka „w ręce kolekcjonera” doznaje przyspieszenia. Wahania temperatury, kolor kamienia, „efekt brazylijskiego orzecha” sprawiają, że nie musimy czekać setek lat na całkowite odwianie zakopanego meteorytu – wynurza się on szybko ;-) i wabi poszukiwaczy.
|
Saltacja (saltation) Rola wiatru nie ogranicza się tylko do odwiewania zakopanego kamienia. Jest jeszcze jeden proces, który ma wpływ na wędrówkę meteorytów na powierzchnię. Dotychczas patrzyliśmy na powierzchnię pustyni jako na wielką rozległą przestrzeń, po której hula wiatr przenosząc miliardy ziaren piachu. Tak jest najczęściej, po rozległych płaskich terenach wiatr płynie laminarnie i nie napotykając większych przeszkód przenosi ziarna piasku na wielkie odległości. Ale co się stanie, jak na drodze laminarnych strug powietrza wyrośnie nagle nad powierzchnią minimalna choćby przeszkoda? Wystający kamień (meteoryt), kępa trawy czy ułamana gałązka wprowadza nagle w ten monotonny krajobraz przeszkodę, zakłóca, wywołuje zamieszanie. Taka przeszkoda w laminarnym przepływie powietrza powoduje zaburzenia – turbulencje. Powstające w otoczeniu kamienia wiry powodują, że ziarna piasku zmieniają swoje trajektorie, nie są już wolne i nie mogą wędrować daleko. Wiele z nich wyhamowuje na przeszkodzie, zderza się z nią. W otoczeniu kamienia powstaje mała wydma. Po jednej jego stronie usypuje się dodatkowy piasek, po drugiej wiry powietrza wybierają mały dołek wywiewając stamtąd ziarna. Taka asymetria jest dodatkowym czynnikiem „efektu brazylijskiego orzecha”. Z drugiej strony wystająca część kamienia zaczyna stawiać dodatkowy opór wiejącemu wiatrowi. Jak potężna może być
to siła nich świadczy fakt, że kamienia potrafią „wędrować” po pustyni. Zjawisko to nazywa się saltacją,
ale to już temat na inne hasło Uwagi geologa[a] |
|
Fizyka substancji sypkich niesie jeszcze wiele niespodzianek i dziwnych
efektów. Analogie z fizyką cieczy wielokrotnie zawodzą, zachowanie „cieczy sypkich” kłóci się często ze zdrowym rozsądkiem, a niekiedy też demaskuje
naszą ignorancję w konfrontacji z pomysłowością Przyrody Hipoteza ta wzbudziła trochę kontrowersji – meteorytomania |
|
|
|
Z naszego podwórka. Z opowieści osób szukających pod Moraskiem
wiem, że znajdywali oni meteoryty tam gdzie już ich być nie powinno: „(...) co do wychodzenia na wierzch kamoli na pustyniach. W Morasku z kolegą rozmawialiśmy
i w sumie coś w tym musi być. Bo na terenach bardzo dokładnie przeszukanych przez innych wychodzą metki bardzo blisko powierzchni i to bynajmniej nie na terenach
uprawnych. Być może przemieszczanie się ziemi czy też „ubijanie” w zimie po deszczach ma tu znaczenie. (...)” |
|
|
|
Przypisy |
|
Źródła (sources) |
|
DELTA (miesięcznik matematyczno-fizyczno-astronomiczny): http://www.mimuw.edu.pl/delta/ Wiedza i Życie: inne ciekawe właściwości piasku – http://portalwiedzy.onet.pl/137247,,,,piasek_leci_w_kosmos,haslo.html Wikipedia: Granular_convection • Sailing stones Wędrujące kamienie - The Sliding Rocks of the Racetrack Playa YouTube: http://www.youtube.com/watch?v=c3p3VMNpWGw • http://www.youtube.com/watch?v=UHHk0wXWlZ8 Procesy eoliczne: http://geografia.na6.pl/dzialalnosc-wiatru SEED Schlumberger Excellence in Educational Development: http://www.seed.slb.com/labcontent.aspx?id=12898 O innych wyczynach wiatru |
Page since: 2009
| Woreczko Meteorites 2002–2016 © Jan Woreczko & Wadi | Page update: 2016-09-05 14:02 |   |
)
.jpg){kind=link}
