Nogle af de mest fantastiske strukturelle feats er ikke bygget af arkitekter eller tegnet af kunstnere. Fra Bryce Canyon til Elbe-sandstenbjergene i Centraleuropa ser sandstenbuer, alkove og søjler rundt omkring i kloden slående som de samme funktioner i menneskeskabt arkitektur. Så hvordan gør naturen det?
Relateret indhold
- Hvad er alle de måder, landet kan forsvinde under din fødder?
En undersøgelse offentliggjort i går i Nature Geosciences antyder, at en feedbackcyklus af stress og erosion muligvis kan være bag disse naturlige vidundere.
Ifølge et team af forskere fra Den Tjekkiske Republik fjerner erosion gradvist sandkorn, hvorved vægten af klippen placeres på resten af kornene og får dem til at tættere sammen. Efterhånden som kornene trækkes ud af sten, skifter vægten ujævnt, og kornene i områder, der bærer mere vægt eller tyngdekraft, er sværere at erodere - hvilket efterlader buer, alkove og søjler, som menneskelige turister kan beundre.
Forskere begyndte først at beskrive og klassificere disse naturlige arkitektoniske træk for mere end 150 år siden, men selv moderne forskeres teorier om, hvordan sandstenbuer og søjler dannes, adskiller sig ganske lidt. For eksempel tilskriver nogle geologer buer på Colorado-platået for at underbære klippebasen, mens andre mener, at brud i klippen producerede dem.
På samme måde argumenterer nogle forskere for, at strømning af erosion udskårne hulesøjler i venezuelanske huler, mens andre peger på erosion, der vasker alt væk, men kornene, der cementerede sammen, efter at have været gennemvædet med fingre med væske, der siver ind i de bløde klipper. De fleste forklaringer er baseret på feltobservationer og undersøgelser af stenprøver under mikroskopet, og teorier varierer fra land til land. Ingen havde fundet en underliggende mekanisme, der generelt passer til hvert scenarie.
Delikat bue set bagfra ved solnedgang, Arches National Park, Utah, USA. (Foto: Michael Atman) 
Dobbelt O Arch før en storm i Devil's Garden, Arches National Park, Utah, USA. (Foto: Michael Atman) 
Pravcicka Brana Arch, et ikonisk eksempel på sandstenarkitektur i den bohemske schweiziske nationalpark, Tjekkiet. (Foto: Vaclav Sojka) 
Delikat bue, Arches National Park, Utah, USA. (Foto: Jaroslav Soukup) 
Hulepilarer i Cueva Colibri i Charles Brewer-hulesystemet i Venezuela. (Foto: Libor Lanik) Det tjekkiske hold ville indtage en anden tilgang. Mens de lavede feltarbejde i Strelec-stenbruddet i det bohemske kridtbassin, bemærkede de, at små buer og søjler - højst kun omkring 2 meter høje - dannede sig ud af sandsten i løbet af bare måneder eller år snarere end tusindårsskalaerne forbundet med stor geologisk arkitektur .
”Det var tydeligt, at processer, der var ansvarlige for dem, arbejdede på nuværende tidspunkt i stenbruddet, og processerne kan derfor isoleres og forklares potentielt, ” siger Jiri Bruthans, geolog ved Charles University i Prag og medforfatter til undersøgelsen.
Hvorfor ikke prøve at lave disse landformer i laboratoriet? Bruthans og hans kolleger startede med at se, hvordan sandsten opfører sig under stress. De skar terninger af sandsten fra Strelec-stenbruddet, sænkede dem ned i vand og udøvede lodret kraft på toppen af terningen for at simulere den stress, som sandkorn i stenen føler fra klipperne over dem.
Uden lodret belastning, blev terningerne gradvist opløst i individuelle korn. I modsætning hertil, under stigende vertikal belastning, spildes terningen gradvist bort til en timeglasformet søjle. Se selv i videoen oprettet af forfatterne for at supplere deres papir:
Sandsten fra Strelec indeholder kritisk ikke cementerende mineraler, der hjælper med at binde sandpartiklerne sammen. I stedet fandt forfatterne, at stressen på sandsten får mineraler til at låse sig sammen og holde klippen sammen.
Det tjekkiske hold kom med en mekanisme til at forklare søjledannelsen, og numerisk modellering bekræftede deres mistanke. Grundlæggende bærer belastningen inden for sandstenblokken ujævnt, hvor nogle sandstenskorn bærer mere vægt end andre. Vand kan let sive ind i klippens porer - rummet mellem korn - og nedbryde sandbits, men korn, der bærer mere af belastningen, er sværere at trække væk.
Tænk på det som en tør mur. ”Det er let at trække mursten ud fra toppen af væggen, men svært at trække mursten fra bunden, da den er indlæst, ” siger Bruthans. Når vand trækker fra sandkornene, bærer færre og færre kerner mere af belastningen, og spændingen mellem kornene øges, idet de binder dem tættere sammen og gør dem mere modstandsdygtige mod erosion.
Nogle sandsten indeholder dog cementeringsmidler. Så forskerne prøvetagede cementeret sandsten fra Tjekkiet, Venezuela og De Forenede Stater. At udsætte disse cementerede terninger for salt og frostforvitring producerede også timeglas-søjler, når de blev vægtet, og ubelastede terninger blev desintegreret fire gange hurtigere. Cementeringsmaterialerne opløses med erosion, og således er cementerede terninger udsat for de samme spændingskræfter, der spiller i ucementerede terninger.
Naturligvis kan erosion også komme i forskellige former. Så forskerne simulerede regn og flydende vand i laboratoriet for at se, om det måske har en anden effekt. I alle tilfælde var belastede terninger mere modstandsdygtige mod erosion end ubelastede terninger, hvilket viser, at stress var nøglefaktoren.
Forskerne skabte et "bue-lignende klippevindue" ved at binde sandsten med en plastcylinder og skære kunstige "brud" i klippen. Nedsænkning i vand forårsagede hurtig formning til en relativt stabil ringform. (Fotos: Michal Filppi) Ud over søjler forsøgte forskerne også at lave buer og alkove i laboratoriet. De fandt, at den form, som klippen danner, afhænger af geometrien for den oprindelige eksponerede hunk af sandsten. Kuber med små, centrale vandrette revner producerede buer. Delvis vandrette snit i terningerne producerede alkove. Og lodrette revner ser ud til at hjælpe med at fremstille lodrette søjler eller søjler. Forskellige erosionsprocesser kan også producere den samme form, hvis de starter med lignende klipper.
En fristående bue blev skabt i laboratoriet ved delvis nedsænkning af belastet blok sandsten med en lille åbning i nærheden af basen. Med tiden blev åbningen bredere og penetrerede sandstensten og skabte en bue. (Foto: Marek Janáč, Vesmir.cz) I betragtning af dette kræver forfatterne en mere nuanceret forklaring af, hvordan buer og søjler dannes i sandsten. ”Vi skal ikke sige, at erosion eller forvitring skåret formene, da det var stressfeltet, der giver formene form. Erosionsprocesser er blot værktøjer, der styres af stress, ”forklarer Bruthans.
At en sådan simpel mekanisme kunne skabe så smukke strukturer kontrasterer vores menneskelige syn på hvad der går ind i kunst eller arkitektur, der er æstetisk tiltalende. ”For at skabe perfekte figurer behøver du ikke intelligens eller planlægning, ” siger Bruthans. Faktisk er det modsatte rigtigt for naturen. De fleste perfekte ting er lavet af enkle mekanismer. ”
