Einige der beeindruckendsten baulichen Meisterleistungen werden nicht von Architekten errichtet oder von Künstlern gemeißelt. Vom Bryce Canyon bis zum Elbsandsteingebirge in Mitteleuropa ähneln Sandsteinbögen, -nischen und -säulen auf der ganzen Welt auffallend denselben Merkmalen in künstlicher Architektur. Wie macht die Natur das?
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Eine gestern in Nature Geosciences veröffentlichte Studie legt nahe, dass ein Rückkopplungszyklus von Stress und Erosion hinter diesen Naturwundern stecken könnte.
Nach Angaben eines Forscherteams aus der Tschechischen Republik werden durch die Erosion nach und nach Sandkörner entfernt, wodurch das Gewicht des Gesteins auf den Rest der Körner aufgebracht und diese enger miteinander verzahnt werden. Wenn Körner vom Gestein abgezogen werden, verlagert sich das Gewicht ungleichmäßig und Körner in Bereichen, die mehr Gewicht oder Schwerkraftbelastung tragen, sind schwerer zu erodieren - und hinterlassen Bögen, Nischen und Säulen, die von menschlichen Touristen bewundert werden können.
Die Wissenschaftler haben bereits vor mehr als 150 Jahren damit begonnen, diese natürlichen architektonischen Merkmale zu beschreiben und zu klassifizieren, aber selbst die Theorien moderner Wissenschaftler darüber, wie sich Sandsteinbögen und -säulen bilden, unterscheiden sich erheblich. Zum Beispiel führen einige Geologen Bögen auf dem Colorado-Plateau auf das Unterschneiden der Gesteinsbasis zurück, während andere glauben, dass sie durch Brüche im Gestein entstanden sind.
In ähnlicher Weise behaupten einige Wissenschaftler, dass in venezolanischen Höhlen durch Stromerosion geschnitzte Höhlensäulen entstanden, während andere darauf hindeuten, dass durch Erosion alles weggespült wird, bis auf die Körner, die zusammengeklebt sind, nachdem sie in den Fingern von Flüssigkeit eingeweicht wurden, die in die weichen Felsen sickerten. Die meisten Erklärungen basieren auf Feldbeobachtungen und Untersuchungen von Gesteinsproben unter dem Mikroskop, und Theorien variieren von Gebietsschema zu Gebietsschema. Niemand hatte einen zugrunde liegenden Mechanismus gefunden, der im Allgemeinen zu jedem Szenario passte.
Empfindlicher Bogen angesehen von hinten bei Sonnenuntergang, Bögen Nationalpark, Utah, USA. (Foto: Michael Atman) 
Doppelter O-Bogen vor einem Sturm im Garten des Teufels, Bögen Nationalpark, Utah, USA. (Foto: Michael Atman) 
Pravcicka-Brana-Bogen, ein ikonenhaftes Beispiel der Sandsteinarchitektur im Nationalpark der Böhmischen Schweiz, Tschechische Republik. (Foto: Vaclav Sojka) 
Empfindlicher Bogen, Bogen-Nationalpark, Utah, USA. (Foto: Jaroslav Soukup) 
Höhlensäulen in der Cueva Colibri des Charles Brewer-Höhlensystems in Venezuela. (Foto: Libor Lanik) Das tschechische Team wollte einen anderen Ansatz verfolgen. Bei der Feldarbeit im Steinbruch Strelec im Böhmischen Kreidebecken stellten sie fest, dass sich in nur wenigen Monaten oder Jahren aus dem Sandstein kleine Bögen und Pfeiler gebildet hatten, die für eine große geologische Architektur typisch waren .
„Es war klar, dass die für sie verantwortlichen Prozesse zum gegenwärtigen Zeitpunkt im Steinbruch ablaufen und daher potenziell isoliert und erklärt werden können“, sagt Jiri Bruthans, Geologe an der Karlsuniversität in Prag und Mitautor der Studie.
Warum nicht versuchen, diese Landformen im Labor herzustellen? Bruthans und seine Kollegen beobachteten zunächst, wie sich Sandstein unter Stress verhält. Sie schnitten Sandsteinwürfel aus dem Steinbruch Strelec, tauchten sie in Wasser und übten eine vertikale Kraft auf die Oberseite des Würfels aus, um die Belastung zu simulieren, die Sandkörner im Stein von den Felsen über ihnen aus hervorrufen.
Ohne vertikale Spannung zerfielen die Würfel allmählich in einzelne Körner. Im Gegensatz dazu verschwendete der Würfel unter zunehmender vertikaler Belastung zunehmend zu einer sanduhrförmigen Säule. Überzeugen Sie sich selbst in dem Video, das die Autoren als Ergänzung zu ihrer Arbeit erstellt haben:
Entscheidend ist, dass der Sandstein von Strelec keine zementierenden Mineralien enthält, die dazu beitragen, die Sandpartikel zusammenzubinden. Stattdessen stellten die Autoren fest, dass die Belastung des Sandsteins dazu führt, dass Mineralien ineinander greifen und das Gestein zusammenhalten.
Das tschechische Team entwickelte einen Mechanismus zur Erklärung der Säulenbildung, und die numerische Modellierung bestätigte ihren Verdacht. Grundsätzlich wird die Last innerhalb des Sandsteinblocks ungleichmäßig getragen, wobei einige Sandsteinkörner mehr Gewicht tragen als andere. Wasser kann leicht in die Poren des Gesteins eindringen - den Zwischenraum zwischen den Körnern - und Sandstücke abtragen, aber Körner, die mehr Ladung tragen, sind schwerer zu entfernen.
Stellen Sie es sich wie eine trockene Mauer vor. "Es ist einfach, Ziegel von der Oberseite der Wand herauszuziehen, aber es ist schwierig, Ziegel von der Unterseite herauszuziehen, wenn sie geladen sind", sagt Bruthans. Wenn Wasser Sandkörner abzieht, tragen immer weniger Körner mehr von der Last, und die Spannung zwischen den Körnern nimmt zu, wodurch sie enger aneinander gebunden und widerstandsfähiger gegen Erosion werden.
Einige Sandsteine enthalten jedoch Zementierungsmittel. Die Forscher untersuchten zementierten Sandstein aus der Tschechischen Republik, Venezuela und den Vereinigten Staaten. Wenn diese zementierten Würfel Salz- und Frostwetter ausgesetzt wurden, bildeten sich beim Beschweren auch Sanduhrsäulen, und entladene Würfel lösten sich viermal schneller auf. Die Zementmassen lösen sich unter Erosion auf, so dass zementierte Würfel in nicht zementierten Würfeln den gleichen Spannungskräften ausgesetzt sind.
Offensichtlich kann Erosion auch in unterschiedlicher Form auftreten. Daher simulierten die Forscher Regenfälle und fließendes Wasser im Labor, um festzustellen, ob es möglicherweise einen anderen Effekt hat. In allen Fällen waren beladene Würfel widerstandsfähiger gegen Erosion als unbeladene Würfel, was zeigt, dass Stress der Schlüsselfaktor war.
Die Forscher schufen ein "bogenartiges Felsenfenster", indem sie Sandstein mit einem Plastikzylinder banden und künstliche "Brüche" in den Felsen schnitten. Das Eintauchen in Wasser verursachte eine schnelle Formgebung in eine relativ stabile Ringform. (Fotos: Michal Filppi) Über Säulen hinaus versuchten die Forscher auch, Bögen und Nischen im Labor herzustellen. Sie fanden heraus, dass die Form des Gesteins von der Geometrie des ursprünglich freigelegten Sandsteinbrocks abhängt. Würfel mit kleinen, mittigen horizontalen Rissen erzeugten Bögen. Teilweise horizontale Schnitte in die Würfel erzeugten Nischen. Vertikale Risse scheinen dabei zu helfen, vertikale Säulen oder Pfeiler zu bilden. Auch unterschiedliche Erosionsprozesse können die gleiche Form erzeugen, wenn sie mit ähnlichen Gesteinen beginnen.
Ein freistehender Bogen wurde im Labor durch teilweises Eintauchen eines beladenen Sandsteinblocks mit einer kleinen Öffnung in der Nähe der Basis erstellt. Mit der Zeit wurde die Öffnung breiter und drang in den Sandsteinblock ein, wodurch ein Bogen entstand. (Foto: Marek Janáč, Vesmir.cz) Vor diesem Hintergrund fordern die Autoren eine differenziertere Erklärung dafür, wie sich Bögen und Pfeiler in Sandstein bilden. „Wir sollten nicht sagen, dass Erosion oder Verwitterung die Formen geschnitzt haben, da es das Spannungsfeld war, das den Formen die Form gab. Erosionsprozesse sind nur Werkzeuge, die durch Stress kontrolliert werden “, erklärt Bruthans.
Dass ein so einfacher Mechanismus so schöne Strukturen schaffen könnte, steht im Widerspruch zu unserer menschlichen Sicht auf das, was in Kunst oder Architektur steckt und was ästhetisch ansprechend ist. „Um perfekte Formen zu schaffen, braucht man weder Intelligenz noch Planung“, sagt Bruthans. Tatsächlich gilt für die Natur das Gegenteil. Die meisten perfekten Dinge werden durch einfache Mechanismen hergestellt. “
