La tensione superficiale guida la forma delle gocce e partecipa ai processi che collegano acqua, aria, roccia e concrezioni negli ambienti carsici.
Tensione superficiale e molecole d’acqua
Una piccola goccia appesa a una volta non è solo un dettaglio visivo dell’ambiente sotterraneo. È l’espressione della tensione superficiale, una proprietà fisica dell’acqua dovuta alla coesione tra le sue molecole. La coesione indica l’attrazione tra molecole della stessa sostanza; nel caso dell’acqua, questa attrazione è particolarmente rilevante.[1]
All’interno di un liquido, le attrazioni esercitate dalle molecole vicine si compensano in larga parte. Sulla superficie, invece, le molecole non hanno acqua al di sopra e sono richiamate verso quelle laterali e sottostanti. Si crea così una superficie che oppone resistenza a una deformazione o alla penetrazione di un oggetto.[1]
Non si tratta di una vera pellicola solida. È un effetto delle forze molecolari. Eppure è sufficiente a far galleggiare, se deposta con cura, una piccola graffetta metallica, nonostante la densità del metallo sia superiore a quella dell’acqua.[1]
Gocce sferiche in ambiente carsico
La tensione superficiale nelle grotte tende a ridurre l’area della superficie libera di una massa d’acqua. A parità di volume, la sfera è la geometria che presenta la minore superficie esterna. Per questo le gocce piccole assumono una forma quasi sferica, anche se gravità, contatto con la roccia, flusso d’aria e peso della goccia possono deformarle.
Nelle cavità carsiche la forma della goccia dipende quindi da un equilibrio. La coesione dell’acqua la raccoglie. L’adesione alla roccia la trattiene. La gravità la allunga verso il basso fino al distacco. L’USGS distingue i due concetti: la coesione è l’attrazione acqua-acqua, mentre l’adesione è l’attrazione dell’acqua verso altre sostanze.[2]
La scena ricorda fenomeni osservabili anche in superficie. Gli insetti pattinatori sfruttano la tensione superficiale e le loro zampe idrofobiche per restare sull’acqua. Nelle grotte, lo stesso principio regola il comportamento del sottile confine tra acqua e aria prima che la goccia cada o scorra sulla parete.[3]
Dalle gocce alle concrezioni
La tensione superficiale ha un ruolo diretto nei primi stadi di crescita di alcune stalattiti. Il National Park Service statunitense descrive come una goccia possa raccogliersi sul soffitto per condensazione o per acqua infiltrata attraverso una frattura. Quando perde anidride carbonica, il carbonato può precipitare e formare una sottile pellicola minerale attorno alla goccia.
Con l’aumento del peso, la goccia oscilla. La pellicola minerale tende a risalire e ad aderire al soffitto anche grazie alla tensione superficiale. Quando l’acqua cade, resta un piccolo bordo minerale: il primo anello di una cannula, o soda straw. La ripetizione del processo lascia tracce minime di minerale e costruisce gradualmente un tubo cavo.
Questo passaggio aiuta a leggere le concrezioni come archivi di processi lenti. Le stalattiti comuni sono in genere composte da calcite, anche se possono essere costituite da altri minerali. La deposizione delle concrezioni avviene nelle parti della cavità sopra il livello di falda, dove la grotta è nella zona aerata.
Condensa, microclima e roccia
La tensione superficiale nelle grotte è anche legata alla presenza di condensa. In una cavità, temperatura, umidità, circolazione dell’aria, geometria e aperture condizionano il microclima. Il National Cave and Karst Research Institute segnala che questi fattori definiscono l’ambiente atmosferico della grotta e le sue variazioni.[4]
La condensazione su pareti più fredde può contribuire alla dissoluzione del calcare o del gesso. Uno studio teorico sulla corrosione da condensazione rileva che l’acqua condensata può equilibrarsi rapidamente con l’anidride carbonica dell’aria di grotta e agire sulle superfici rocciose; vicino agli ingressi, variazioni giornaliere e stagionali possono rendere il fenomeno più significativo.[5]
La stessa acqua può quindi partecipare a processi diversi. In certe condizioni deposita minerali e alimenta una concrezione. In altre, può favorire la corrosione della roccia o di una formazione già esistente. L’esito dipende dalla composizione dell’acqua, dal contenuto di anidride carbonica, dalla temperatura e dal contesto microclimatico.
Un dettaglio utile per la speleologia
Osservare le gocce consente di riconoscere la relazione continua tra infiltrazione, condensa e morfologia. La tensione superficiale non spiega da sola l’evoluzione di una cavità, ma chiarisce un meccanismo fisico presente nella nascita delle gocce, nel loro distacco e nella crescita di sottili depositi minerali.
Per chi documenta una grotta, questo significa considerare le gocce come parte del sistema e non come un elemento accessorio. Le condizioni dell’aria e dell’acqua possono cambiare con le stagioni, con l’apertura di nuovi passaggi e con la presenza umana. Rilevare temperatura, umidità, punti di stillicidio e stato delle concrezioni aiuta a descrivere il microambiente con maggiore precisione.
Fonti
- U.S. Geological Survey, “Surface Tension and Water”: https://www.usgs.gov/water-science-school/science/surface-tension-and-water
- U.S. Geological Survey, “Adhesion and Cohesion of Water”: https://www.usgs.gov/water-science-school/science/adhesion-and-cohesion-water
- National Park Service, “Speleothems – Caves and Karst”: https://www.nps.gov/subjects/caves/speleothems.htm
- National Cave and Karst Research Institute, “Cave Environment”: https://nckri.org/about-caves/cave-environment/
- Dublyansky e colleghi, “Condensation Corrosion: A Theoretical Approach”: https://digitalcommons.usf.edu/kip_articles/1167/
Fonti
[2] Adhesion and Cohesion of Water | U.S. Geological Survey https://www.usgs.gov/water-science-school/science/adhesion-and-cohesion-water
[3] Surface Tension and Water | U.S. Geological Survey – USGS https://www.usgs.gov/water-science-school/science/surface-tension-and-water
[4] Cave Environment – National Cave and Karst Research Institute https://nckri.org/about-caves/cave-environment/
[5] Condensation Corrosion: A Theoretical Approach https://digitalcommons.usf.edu/kip_articles/1167/
[6] National Cave and Karst Management Symposium 2025 https://www.scintilena.com/national-cave-and-karst-management-symposium-2025-un-appuntamento-cruciale-per-la-speleologia-mondiale/09/01/
[7] Cave Types https://nckri.org/about-caves/types/
[8] Borneo Caves Sculpted by Bat Guano: A Major Discovery in Tropical Karst Formation – Scintilena https://www.scintilena.com/borneo-caves-sculpted-by-bat-guano-a-major-discovery-in-tropical-karst-formation/01/02/
[9] Springs – National Cave and Karst Research Institute https://nckri.org/about-karst/springs/
[10] Speleogenesi da Acido Solforico nel Plavecký Karst – Scintilena https://www.scintilena.com/speleogenesi-da-acido-solforico-nel-plavecky-karst-le-grotte-ipogene-della-slovacchia-occidentale/01/10/
[11] [PDF] Teacher’s Guide to: – National Cave and Karst Research Institute https://nckri.org/wp-content/uploads/2021/04/Teachers_Guide_to_MysteryofBlackWaterCave.pdf
[12] Una miniera di risorse nella libreria digitale di karst Information Portal – Scintilena https://www.scintilena.com/una-miniera-di-risorse-nella-libreria-digitale-di-karst-information-portal/04/14/
[13] Sinkholes – National Cave and Karst Research Institute https://nckri.org/about-karst/sinkholes/
[14] KarstLink, Linked data for caves and karst databases – Scintilena https://www.scintilena.com/karstlink-linked-data-for-caves-and-karst-databases/03/16/
[15] Scintilena https://www.scintilena.com/
[16] Glossario Speleologico UIS – Lettera ‘B’ https://www.scintilena.com/glossario-speleologico-uis-lettera-b/07/22/
[17] Cave Week – National Cave and Karst Research Institute https://nckri.org/cave-week/
[18] La speleologia applicata alla ricerca idrogeologica – Scintilena https://www.scintilena.com/la-speleologia-applicata-alla-ricerca-idrogeologica/03/21/
[19] Protection & Management – National Cave and Karst Research Institute https://nckri.org/karst/protection-management/
[20] Understanding the Hydrology of Karst http://www.geologia-croatica.hr/index.php/GC/article/download/gc.2010.11/110
[21] Drop impact on wet granular beds: water-content effects on the cratering https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2404/2404.01631.pdf
[22] Ultra-sharp pinnacles sculpted by natural convective dissolution https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7519309/
[23] Numerical research on disastrous mechanism of seepage instability of karst collapse column considering variable mass effect https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11183256/
[24] The USGS Water Science School https://intothebigblue.weebly.com/uploads/4/0/8/3/40837051/cohesion_adhesion_surface_tension_and_capillary_action_reading.pdf
[25] [PDF] THE PROBLEM OF CONDENSATION IN KARST STUDIES https://caves.org/wp-content/uploads/Publications/JCKS/v60/V60N1-Dublyansky.pdf
[26] Speleothems – Caves and Karst (U.S. National Park Service) https://www.nps.gov/subjects/caves/speleothems.htm
[27] Surface Tension and Water | U.S. Geological Survey – USGS.gov https://www.usgs.gov/media/videos/surface-tension-and-water
[28] Understanding Water Surface Tension | PDF – Scribd https://www.scribd.com/document/321081757/Surface-Tension-Water-Properties-USGS-Water-Science-School
[29] The role of condensation in the evolution of dissolutional forms in gypsum caves: Study case in the karst of Sorbas (SE Spain) https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169555X14003535
[30] [PDF] SPELEOTHEM DESTRUCTION IN THE CAVES OF THE MORAVIAN … https://www.ssj.sk/en/user_files/Z05_25.pdf
[31] Study case in the karst of Sorbas (SE Spain) https://publications.cnr.it/api/v1/documents/download/186729
[32] Measurements of water-film thickness on cave walls and … https://essopenarchive.org/doi/pdf/10.22541/essoar.173385841.17491562/v1?onload=true
[33] CAVES 2013: Karst for astronauts 5 (Cave morphologies) https://www.youtube.com/watch?v=6U6xOHjK7JI