Bewegende stenen

Op een Amerikaanse hoogvlakte trekken grote stenen een sleepspoor door het zand. Er zijn geen mensen in de buurt. En de sporen hebben dezelfde vorm.

Op een drooggevallen woestijnmeer, een playa, in het Death Valley National Park in de Amerikaanse staat Californië, liggen stenen die zich af en toe verplaatsen. Het gewicht van de stenen loopt uiteen van 200 gram tot ruim meer dan 300 kilogram en de sporen die zij in de kurkdroge, harde bodem achterlaten zijn soms honderden meters lang. Niemand heeft echter ooit gezien dat er een steen bewoog en daardoor was het decennia lang een raadsel wat er hier nu precies gebeurde. Maar recent onderzoek lijkt het raadsel eindelijk te hebben opgelost.

De vier kilometer lange playa is uitzonderlijk vlak. In het zuidoostelijke deel, waar de meeste stenen liggen, zijn de maximale hoogteverschillen kleiner dan een centimeter. Dit sluit direct uit dat de stenen zich als gevolg van de zwaartekracht verplaatsen. Op de playa vormt zich echter heel af en toe - na een flinke regenbui - een laagje water van enkele centimeters dikte. Zouden krachtige windstoten, in combinatie met de smerende werking van kleideeltjes in de natte bodem, de stenen over het oppervlak van 'Racetrack Playa' kunnen laten bewegen?

Gelijkvormigheid

Onderzoekers van het Hampshire College in Amherst (VS) hebben onlangs ter plekke de krachten gemeten die nodig zijn om de stenen op een nat en dus glad gemaakt oppervlak in beweging te krijgen. Die krachten zijn groot, omdat de stenen door verwering ruw en hoekig zijn. Om een steen van 20 kg over de bodem te verplaatsen zou de wind aan de grond een snelheid van 290 km per uur moeten hebben, ofwel (geschat) 700 km per uur op tien meter hoogte. Zulke windsnelheden komen op aarde niet voor! Zwaardere en/of plattere stenen zouden nog veel hogere windsnelheden vereisen.

De onderzoekers merken op dat vele sporen soms vrijwel dezelfde vorm hebben, ook al liggen de daarvoor verantwoordelijke stenen honderden meters van elkaar en hebben ze een heel verschillend gewicht. Het is hoogst onwaarschijnlijk dat deze gelijkvormigheid door aléén de wind tot stand kan worden gebracht. Ook opmerkelijk is verder dat de stenen tijdens hun verplaatsing niet draaien en dat enkele stenen hun tocht niet in de modder begonnen, maar in het grind aan de rand van de vlakte: ondanks de veel grotere weerstand hierin kwamen ze toch in beweging.

De geologen hebben met behulp van een theodoliet de sporen van een groot aantal stenen nauwkeurig opgemeten. Uit die metingen blijkt dat de stenen zich vaak in de vorm van groepen, met soms zes of zeven stuks tegelijk, hebben verplaatst. De sporen van de leden van zo'n familie konden na verschuiving precies - tot op enkele centimeters nauwkeurig - op elkaar worden gelegd, iets wat vrijwel niet te verklaren valt met individuele verplaatsingen door alléén de wind.

De onderzoekers denken nu dat de stenen worden verplaatst nadat ze zijn ingesloten c.q. ingevroren in ijsplaten van 2 tot 3 cm dikte die in een dun laagje water boven de bodem van de playa drijven. Deze ijsplaten of -schollen worden door de wind voortbewogen en tijdens deze beweging trekken de ingevroren stenen met hun onderkant sporen in de modderige bodem. Deze verklaring werd overigens al in 1955 gesuggereerd door de Amerikaanse geoloog George Stanley, maar toen door velen als te fantastisch van de hand gewezen.

Tijdens zijn beweging draait een ijsschol soms (bijvoorbeeld als hij een zware, onwrikbare steen ontmoet), waardoor er vooral bij langwerpige stenen een soort kalligrafisch effect optreedt. Het spoor dat een steen trekt wordt dunner als hij door een rotatie meer in zijn lengterichting gaat bewegen en dikker als hij meer in de breedterichting beweegt. Na het uiteenvallen van een grote ijsplaat in kleinere stukken zouden stenen van één familie aan het einde van de tocht hun eigen weg kunnen gaan. Omgekeerd zou een individuele schots c.q. steen op een bepaald moment door een groep kunnen worden meegevoerd (Geology 23, p. 819).

De onderzoekers hebben ook de kracht berekend die door de wind op deze ijsschotsen wordt uitgeoefend. De wrijving van de wind op het ijs is uiteraard heel gering, maar omdat het om zulke grote oppervlakken gaat kan de wrijvingskracht toch aardig oplopen. Zo blijkt een windsnelheid van nog geen 20 km per uur voldoende te zijn om een drijvende ijsplaat van 850 bij 500 meter, met daarin ingevroren honderd stenen van elk 20 kilo die in de modder rusten, in beweging te krijgen. Individuele stenen in ijsschotsen van 10 bij 10 meter zouden bij een windsnelheid van 100 km per uur kunnen worden verplaatst. Windvlagen met deze snelheid komen waarschijnlijk veel op Racetrack Playa voor en zouden de grillige bewegingen van sommige stenen aan het einde van hun traject kunnen verklaren.

Natuurwonder

Uit onderzoek in de Weddel Zee bij Antarctica is gebleken dat de snelheid van ijsschotsen gewoonlijk een paar procent bedraagt van de snelheid van de wind die hen voortblaast. De hoogste snelheden op Racetrack Playa zouden dan in de orde van enkele tientallen centimeters per seconde kunnen zijn, maar bij grote ijsschotsen en rustige winden zijn die snelheden een stuk geringer. De wrijving tussen het ijs en het water is bij zulke geringe snelheden verwaarloosbaar klein.

Wat zich in het drooggevallen woestijnmeer in Death Valley National Park afspeelt mag een natuurwonder worden genoemd. Het vindt alleen plaats wanneer tegelijk aan verschillende voorwaaarden wordt voldaan. De vlakte moet door regenval een laagje water van de juiste dikte krijgen, en de wind mag pas flink gaan waaien als er op het water een ijslaagje is ontstaan dat voldoende dik en sterk is om stenen vast te houden. De vlakte zelf is uniek omdat zij - op 1130 meter hoogte - op grotere hoogte ligt dan de meeste playa's en het er 's winters zo koud kan worden dat er ijs ontstaat.