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» » » El secreto de las grandes cuevas revelado por las matemáticas

Cuando los espeleólogos buscan en una cueva, se preguntan sobre cómo explorar sus profundidades. Pero los físicos se preguntan en primer lugar cómo ha llegado a formarse.

Un nuevo análisis matemático resuelve el rompecabezas que desde hace mucho tiempo supone la formación de una cueva: ¿cómo se las arregla un hilo de agua, mezclada con ácido carbónico, para disolver rápidamente la roca y crear grandes conductos. El truco, al parecer, es que el flujo de fluidos se centra rápidamente en ciertos canales, que crecen a expensas de los demás permitiendo que el ácido penetre profundamente.

"La mayoría de los modelos actuales para la formación de cuevas no saben nada de este mecanismo", comentó Piotr Szymczak, físico de la Universidad de Varsovia. Él y su colega Anthony Ladd, ingeniero químico de la Universidad de Florida en Gainesville, han diseñado sus nuevas ecuaciones en un artículo que aparecerá en la revista Earth and Planetary Science Letters.

Este trabajo puede mejorar la comprensión de la seguridad de las presas, sitios de almacenaje de residuos o en cualquier otro líquido que pudiera filtrarse a través del suelo.

Desde hace más de un siglo, los investigadores saben los fundamentos de como se forman las cuevas de piedra caliza: Una pequeña fractura se abre en la roca, quizá por una cierta tensión interna, y el agua comienza a filtrarse a través de ella. La mayor parte del agua contiene dióxido de carbono, un ácido débil que se va comiendo el carbonato de calcio de la piedra caliza. La pregunta es, ¿qué sucede para que dicha disolución sea lo suficientemente rápida como para producir una penetración profunda, permitiendo formarse los grandes sistemas de cuevas?. El sistema más conocido del mundo es la Mammoth Cave en Kentucky, con al menos 580 kilómetros de pasadizos.

En trabajos anteriores se ha sugerido que la velocidad a la que disuelve la roca podría acelerarse drásticamente, cuando el líquido está casi saturado con dióxido de carbono. Pero el nuevo estudio puede explicar la formación de cavernas sin recurrir a este mecanismo, señala Szymczak.

Los investigadores mostraron cómo las ecuaciones describen que el flujo de fluidos en la roca siempre contiene una inestabilidad matemática. Esta inestabilidad significa que más pronto que tarde se abrirá la fractura, el flujo de líquido empezará a concentrarse a través de pequeñas ondas y construirá algunos canales más grandes, a expensas de los demás. "Este mecanismo de canalización acelera mucho su tiempo de disolución", explica Szymczak. "Eso es lo que le permite penetrar tan profundamente."

El análisis matemático probablemente trae una nueva visión sobre esas ideas que han estado circulando desde la década de 1990, cuando la noción centrada en el flujo en la piedra caliza fue propuesta por primera vez, apunta Harihar Rajaram, ingeniero hidrológico de la Universidad de Colorado en Boulder. El nuevo trabajo, añade Szymczak, se basa en ese fundamento, demostrando que la inestabilidad siempre existe en las matemáticas, no importa qué materiales están involucrados.

El trabajo, agrega, podría ayudar a explicar por qué a veces se forman cuevas más rápido de lo esperado debajo de las presas. Estas ecuaciones también pueden ayudar a mejorar los modelos de cómo se filtra un líquido a través de rocas, una cuestión que también alcanza a la planificación de los residuos nucleares.

Lo siguiente que quieren estudiar los investigadores, es lo que sucede cuando los ingenieros inyectan dióxido de carbono líquido desde las centrales eléctricas a gran profundidad, en un intento por mantener el carbono de entrada en la atmósfera.

  • - Referencia: Wired.com, 30 de noviembre 2010, por Alexandra Witze
  • - Imagen: Piotr Szymczak.

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Editor del blog Pedro Donaire

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