I misteriosi Cerchi in grotta: Lo studio vince il "Premio Badino"

Uno studio analizza l’origine di questi particolari depositi nelle grotte italiane e si aggiudica il “”Premio Badino” istituito da La Venta e dalla SSI – Cave Ring Experiment for Droplet Observation (CREDO) – Francesco Nozzoli

Cosa sono gli anelli di grotta

Gli anelli di grotta sono speleotemi caratterizzati da un sottile cerchio sul pavimento della grotta, simmetricamente disposto attorno al punto di impatto di una goccia d’acqua. Questi depositi, a seconda della composizione dell’acqua e del substrato, possono apparire come rilievi positivi o come depressioni. Gli anelli possono avere diametri che variano da pochi centimetri fino a due metri e la loro forma dipende dall’inclinazione del pavimento.

Le ipotesi sulla formazione degli anelli di grotta

Due principali meccanismi sono stati proposti per spiegare la formazione di questi anelli. Il primo è il cosiddetto “splash ring”, che si genera quando le gocce d’acqua cadono sul pavimento e, al momento dell’impatto, producono schizzi radiali che determinano il deposito del cerchio calcareo. Il secondo meccanismo, denominato “fall down ring”, si basa invece sulla formazione di una goccia secondaria che si stacca dalla goccia primaria prima di raggiungere il pavimento.

Uno studio recente ha confermato che la seconda ipotesi è quella prevalente. L’analisi di 67 anelli in cinque diverse grotte italiane ha dimostrato che la formazione è legata alla frammentazione spontanea della goccia primaria in caduta, a circa 1,4 metri dalla volta della grotta.

Le misurazioni degli anelli nelle grotte italiane

La ricerca ha coinvolto diverse cavità, tra cui la Grotta Imbroglita, la Grotta del Sorell in Sardegna e altre grotte del Lazio. Gli anelli studiati erano spesso difficili da individuare, poiché il loro contrasto dipendeva dalla presenza di un sottile strato di fango o polvere che ne evidenziava i contorni.

Per verificare la formazione degli anelli, i ricercatori hanno condotto esperimenti artificiali nella Grotta Imbroglita, installando tavole di legno annerite sopra alcuni anelli esistenti. Dopo 20 giorni, si è osservata la comparsa di nuovi cerchi, confermando che le gocce secondarie in caduta determinano la loro formazione.

Le forze che influenzano la caduta delle gocce

Le misurazioni effettuate hanno evidenziato un comportamento delle gocce diverso da quello atteso. La traiettoria seguita dalla goccia secondaria non è puramente parabolica, come ci si aspetterebbe sotto l’effetto della sola gravità, ma mostra una curvatura negativa. Questo suggerisce che altre forze, come l’attrito dell’aria o una spinta aerodinamica, potrebbero influenzare il movimento delle gocce durante la caduta.

Prospettive future per lo studio degli anelli di grotta

L’osservazione e lo studio degli anelli di grotta possono fornire informazioni utili non solo per la speleologia, ma anche per la fluidodinamica e l’aerodinamica delle gocce in caduta. Gli autori dello studio invitano gli speleologi a segnalare la presenza di nuovi anelli e a contribuire alla raccolta di dati.

Questi speleotemi, seppur poco conosciuti, potrebbero essere molto più diffusi di quanto si pensi, ma la loro conservazione è delicata: il passaggio degli esploratori può cancellarli rapidamente. La documentazione e la protezione di questi depositi potrebbero aprire nuove strade nella ricerca scientifica sulle dinamiche delle gocce d’acqua nelle grotte.

Vai allo studio in PDF in Inglese oppure studia la scheda riassuntiva, leggi il glossario, esegui gli esercizi per casa e fai il test di apprendimento finale:

Scheda Riassuntiva: La Genesi degli Anelli di Grotta
Concetti e approcci per comprendere i fenomeni speleotemici

1. Introduzione

In questa lezione si approfondirà il fenomeno degli anelli di grotta, particolari depositi calcarei che si formano sul pavimento delle cavità naturali. L’analisi spazia dalla definizione e classificazione del fenomeno fino ai meccanismi di formazione, integrando dati sperimentali e osservazioni sul campo. Il fenomeno, studiato anche in ambito di fluidodinamica, offre spunti interessanti per comprendere come forze differenti possano influenzare il comportamento di una goccia in caduta, generando depositi che, come in un affascinante balletto, tracciano un percorso circolare attorno al punto di impatto.

2. Definizione degli Anelli di Grotta

Gli anelli di grotta sono speleotemi caratterizzati da un sottile cerchio, formato attorno al punto in cui una goccia d’acqua colpisce il pavimento. La loro dimensione può variare da pochi centimetri a misure ben più ampie, e la loro visibilità dipende dall’interazione tra il deposito calcario e il rivestimento superficiale, come un sottile strato di fango o polvere che ne evidenzia il contorno. Si possono osservare anelli positivi o negativi, a seconda che il deposito elevi o incavi la superficie del pavimento.

3. Meccanismi di Formazione

La formazione degli anelli di grotta è riconducibile a due principali meccanismi:

Splash Rings
Quando una goccia d’acqua colpisce il suolo della grotta, si verifica uno spruzzo che espelle delle gocce secondarie. Queste, distribuite radialmente, tracciano il contorno dell’anello. Immaginate l’impatto come il lancio di pietre in uno stagno: l’onda che si espande, pur non essendo uniforme in ogni direzione, contribuisce a formare una struttura circolare.
Fall Down Rings
In questo caso, la goccia primaria subisce una rottura spontanea durante la caduta, generando una goccia secondaria che si discosta dalla traiettoria verticale. Tale rottura, paragonabile a un battito d’ali che devia il percorso, produce un anello il cui raggio è strettamente correlato all’altezza della goccia dalla volta. Questo meccanismo spiega l’osservazione di anelli con caratteristiche uniformi, indipendenti da altri fattori quali la massa della goccia.

4. Parametri di Misurazione e Analisi dei Dati

La ricerca sperimentale si è concentrata su misurazioni precise di due parametri fondamentali:

Ring-Height: la distanza tra il punto di origine (stalattite) e il pavimento, fondamentale per determinare il raggio dell’anello.
Ring-Radius: la distanza dal centro dell’anello al punto in cui si è depositata la goccia secondaria.

Attraverso l’analisi dei dati, è stata rilevata una correlazione diretta tra l’altezza della caduta e il raggio dell’anello.

Un approccio quantitativo ha permesso di estrapolare parametri di traiettoria (ad esempio y, il punto di rottura della goccia, e il rapporto tra velocità verticale e orizzontale, indicato con b) e di evidenziare la curvatura della traiettoria, che non segue il classico andamento parabolico governato esclusivamente dalla gravità.

È come se la goccia, in caduta libera, fosse guidata da una sinfonia di forze: la gravità rappresenta il tempo, mentre l’attrito e forze aerodinamiche sono gli strumenti che modulano la melodia finale.

5. Interpretazioni e Implicazioni per la Speleologia

L’osservazione degli anelli di grotta offre una finestra sulle dinamiche complesse che regolano la formazione dei depositi in ambienti chiusi.

Le evidenze sperimentali supportano la predominanza del meccanismo dei fall down rings, invitando a considerare nuove ipotesi sul comportamento delle gocce e sui fattori ambientali che influenzano la formazione degli speleotemi.

Questi studi sono utili non solo per la mineralogia, ma anche per affinare le tecniche di indagine in speleologia, contribuendo a una migliore interpretazione dei processi naturali nelle grotte.

Glossario dei Termini Chiave

Speleotema: Formazione minerale depositata nelle grotte, dovuta all’azione di acqua contenente soluti minerali.
Anello di grotta: Deposito calcareo a forma circolare, formato attorno al punto di impatto di una goccia d’acqua.
Goccia Primaria: La goccia d’acqua originaria che si stacca dalla stalattite e che, durante la caduta, può subire una rottura.
Goccia Secondaria: Il frammento che si stacca dalla goccia primaria, responsabile della formazione dell’anello sul pavimento.
Splash Ring: Anello formato dall’impatto e dallo spruzzo di una goccia d’acqua sul pavimento.
Fall Down Ring: Anello formato dalla caduta di una goccia secondaria che si è staccata spontaneamente dalla goccia primaria.
Ring-Height: Distanza verticale tra il punto di origine della goccia (stalattite) e il pavimento della grotta.
Ring-Radius: Distanza dal centro dell’anello al punto in cui la goccia secondaria ha impattato il pavimento.
Parametri y?, b, a: Variabili derivanti dal modello matematico della traiettoria della goccia: y? rappresenta il punto di rottura, b il rapporto tra velocità verticale e orizzontale, e a la curvatura della traiettoria.
Attrito dell’aria: Forza che si oppone al movimento della goccia in caduta, influenzando la sua traiettoria.
Forza di sollevamento (Lift Force): Forza aerodinamica che può deviare il percorso di una goccia in caduta.