تلتزم جميع الصواعد بقاعدة رياضية، اكتشفها العلماء بعد إنشاء معادلات توضح كيفية تطور التكوينات المعدنية المثيرة إلى أشكال مختلفة.

وأشار الباحثون في دراسة ستنشر في الأسبوع الذي يبدأ في 13 أكتوبر في مجلة PNAS، إلى أن الأوصاف الرياضية الجديدة يمكن أن تساعد العلماء على استخلاص بيانات أكثر دقة حول الظروف المناخية الماضية.

"اتضح أن التنوع الغني لأشكال الصواعد يمكن تفسيره بمعلمة واحدة بسيطة،" مؤلف مشارك في الدراسة بيوتر شيمشاكوقال عالم الفيزياء في جامعة وارسو في أ إفادة. "هذه حالة نادرة حيث يتوافق الجمال الذي نراه في الطبيعة مباشرة مع قانون رياضي نظيف."

يمكن أن تنمو الصواعد إلى ارتفاع يصل إلى مئات الأقدام من أرضيات الكهوف وتتخذ العديد من الأشكال المختلفة - من المخاريط الحادة الضيقة إلى التلال العريضة المسطحة. يتم إنشاؤها عندما تتساقط المياه الغنية بالمعادن من سقف الكهف إلى نفس المكان تقريبًا لآلاف السنين، حيث تترسب الكالسيت بشكل ثابت في برج ينمو من أرضية الكهف.

في الدراسة الجديدة، طور شيمشاك وزملاؤه مجموعة من المعادلات الرياضية التي تصف كيفية ظهور كل هذه الأشكال. ووجدوا أن الشكل الذي تتخذه الصواعد في نهاية المطاف يتم التحكم فيه من خلال معدل تساقط الماء من سقف الكهف على الصواعد، ومدى سرعة بقاء الكالسيت الموجود في تلك المياه. ويمكن تمثيلها بقيمة واحدة تسمى رقم دامكولر.

يميل الماء المتدفق بسرعة والمتساقط من سقف الكهف إلى تكوين صواعد مدببة مخروطية الشكل، في حين أن الماء الذي يقطر ببطء أكثر على نفس البقعة يشكل صواعدًا أكثر سمكًا تشبه العمود. عندما يتساقط الماء من ارتفاع كبير، أو لا يقطر في نفس المكان تمامًا، يمكن أن تتشكل صواعد واسعة ذات قمم مسطحة.

ثم تحقق العلماء من صحة معادلاتهم من خلال مقارنة الأشكال المتوقعة للصواعد في ظل ظروف مختلفة مع الصواعد الفعلية المأخوذة من كهف بوستوينا في سلوفينيا.

"عندما قارنا حلولنا التحليلية بعينات الكهوف الحقيقية، كان التطابق رائعًا،" مؤلف مشارك في الدراسة ماتيج ليباروقال عالم الجغرافيا الطبيعية في مركز الأبحاث التابع للأكاديمية السلوفينية للعلوم والفنون في البيان. "إنه يظهر أنه حتى في ظل الظروف الطبيعية الفوضوية، فإن الهندسة الأساسية موجودة."

وكتب الباحثون في الدراسة أن العلماء يمكنهم استخدام هذه الهندسة للحصول على بيانات أكثر دقة حول المناخ الماضي من التكوينات. تشبه إلى حد كبير حلقات الأشجار، تنمو الصواعد في طبقات، وتسجل معلومات حول هطول الأمطار ودرجة الحرارة مع مرور الوقت. يستخدم العلماء نسب الأشكال أو النظائر المختلفة للكربون في كل طبقة لاستخراج تلك المعلومات. ويؤثر شكل الصواعد على كيفية ترسيب تلك الطبقات، وهو ما يمكن أن يؤثر بدوره على كيفية تفسير العلماء للظروف التي نمت فيها.

"الصواعد هي أرشيفات مناخية طبيعية، ولكننا نرى الآن أن هندستها تترك بصماتها الخاصة على سجل النظائر"، كما يقول المؤلف المشارك في الدراسة. أنتوني لادوقال مهندس كيميائي في جامعة فلوريدا في البيان. "إن التعرف على هذا التأثير سيسمح لنا باستخراج معلومات أكثر موثوقية حول المناخات الماضية."