Un fluido potrebbe spiegare il mistero delle terrazze del permafrost

L’ipotesi di uno studio americano: le terrazze formate dallo scongelamento del permafrost seguono un meccanismo simile a quello onde osservate in un fluido non newtoniano a base di amido di mais e acqua

di Matteo Cavallito

I versanti delle regioni artiche mostrano spesso sorprendenti geometrie naturali come cerchi, poligoni, strisce e grandi terrazze che ricordano una scalinata. Sono il risultato della soliflussione, il lentissimo movimento del terreno superficiale prodotto dallo scongelamento del permafrost. Per decenni i geomorfologi hanno cercato di capire come queste strutture si formino spontaneamente ma senza successo. Almeno fino a ora.

A fornire una spiegazione convincente potrebbe essere un nuovo studio che ha esplorato la sorprendente analogia tra questo tipo di movimento e la formazione delle onde di un materiale decisamente particolare: l’oobleck, il fluido non newtoniano ottenuto mescolando acqua e amido di mais.

Un enigma della geomorfologia

L’indagine, condotta dai ricercatori della University of Rochester di New York e pubblicata su AGU Advances, la rivista della American Geophysical Union, puntava a cercare “una spiegazione delle terrazze di soliflussione che non si basasse sulla presenza di strati multipli, compressione o inerzia”. Durante la stagione calda lo strato superficiale del terreno si scongela e scivola lentamente sopra il permafrost ancora ghiacciato, avanzando di pochi millimetri o centimetri all’anno. Col tempo si formano gradoni e lobi di terreno che possono estendersi per decine di metri.

Quanto all’oobleck si tratta invece di un fluido non newtoniano. Questo tipo di sostanze mostra proprietà specifiche: se deformate lentamente scorrono come una crema, sotto una sollecitazione intensa diventano improvvisamente molto più rigide.

Negli ultimi anni alcuni studi hanno mostrato che, quando uno strato di oobleck scorre lungo un piano inclinato, può sviluppare spontaneamente una serie di onde regolari. Un piccolo rilievo, notano gli scienziati, rallenta il materiale che arriva da monte favorendone l’accumulo e la sua successiva trasformazione in un’onda stabile. Ed è qui che il confronto tra due fenomeni completamente scollegati tra loro suggerisce una curiosa analogia. Il ghiaccio “si comporta in modo complesso, agendo talvolta come un fluido e altre volte come un solido”, sottolinea una nota dei ricercatori. “Questa complessità è dovuta alla variabilità stagionale dell’acqua e della temperatura, oltre che ai principi fisici fondamentali del suolo”.

Lo studio

Il permafrost, precisano comunque gli scienziati, non si comporta realmente come l’oobleck. L’analogia riguarda piuttosto il meccanismo fisico: una variazione locale della velocità del materiale può amplificare una piccola irregolarità invece di eliminarla. L’idea, quindi, è stata quella di utilizzare le onde del fluido come modello concettuale per cercare un fenomeno simile nei terreni ghiacciati. Gli autori hanno anzitutto analizzato tutte le principali spiegazioni proposte negli anni per la formazione delle terrazze, mostrando che i modelli basati su fluidi semplici, instabilità da compressione o onde di rotolamento non riescono a produrre spontaneamente i pattern osservati.

Successivamente hanno costruito un modello matematico trattando il terreno come un fluido molto viscoso e hanno ricavato una relazione tra lunghezza d’onda delle terrazze, spessore del suolo e pendenza del versante. Questa relazione è stata confrontata con un ampio database di terrazze di soliflussione ottenuto tramite immagini ad alta risoluzione in Norvegia.

La nuova ipotesi

“Il fatto che il nostro semplice modello basato su un fluido risulti sempre stabile”, spiega lo studio, “significa molto probabilmente che le equazioni adottate non sono sufficienti a spiegare l’instabilità osservata”. Per questo motivo gli autori hanno introdotto un’ipotesi completamente nuova: la viscosità efficace del terreno non sarebbe costante ma aumenterebbe localmente davanti ai piccoli rilievi a causa di variazioni di umidità, stato termico, vegetazione o coesione del suolo.

Questa formulazione è stata confermata dalle simulazioni matematiche che hanno mostrato la comparsa spontanea di onde che si organizzano progressivamente in terrazze molto simili a quelle osservate sul terreno. Esse infatti tendono a fondersi progressivamente aumentando la loro lunghezza d’onda nel tempo, un comportamento coerente con quanto osservato nei paesaggi naturali.

Un primo passo per comprendere l’evoluzione del permafrost

Lo studio non dimostra che il permafrost segua lo stesso identico meccanismo reologico dell’oobleck, né identifica con certezza il processo responsabile della formazione delle terrazze. Al tempo stesso, però, l’indagine propone un nuovo quadro teorico che sembra spiegare per la prima volta l’origine spontanea di queste strutture. “Il nostro lavoro, che combina teoria matematica e modellazione al computer, mostra che i pattern di soliflussione si formano in modo analogo a causa delle differenze spaziali di umidità del suolo presenti davanti ai piccoli rilievi del terreno”, concludono i ricercatori.

“Questo evidenzia come gli schemi osservati nei fluidi di uso quotidiano possano essere confrontati con quelli, molto più complessi, presenti nei sedimenti per comprendere meglio l’evoluzione della superficie terrestre”.

Il passo successivo sarà verificare direttamente sul campo se davanti ai fronti delle terrazze esistano davvero variazioni di umidità, temperatura o altre proprietà capaci di rallentare il movimento del terreno. Se confermata, questa teoria potrebbe migliorare la comprensione dell’evoluzione dei paesaggi artici in una fase in cui il cambiamento climatico sta accelerando il degrado del permafrost, rendendo molti pendii meno stabili e facendo aumentare il rischio di frane superficiali. Infine, strutture molto simili alle terrazze artiche sono state osservate anche su Marte, nota la ricerca. Chiarirne l’origine potrebbe aiutare quindi a ricostruire anche la storia climatica del Pianeta Rosso.