Jak to jest z tymi “eksplodującymi” drzewami?

W stycz­niu inter­net – a przy­naj­mniej jego ame­ry­kań­ską część – opa­no­wa­ły nagłów­ki prze­strze­ga­ją­ce przed eks­plo­du­ją­cy­mi drze­wa­mi. Wiele lokal­nych, sta­no­wych por­ta­li­ków opisało temat w nastę­pu­ją­cy sposób:

Pod koniec tygo­dnia spo­dzie­wa­na jest fala nie­bez­piecz­ne­go ark­tycz­ne­go powie­trza, która dotrze do dużych obsza­rów Środ­ko­we­go Zachodu i pół­noc­nych równin. Wzbudzi to obawy doty­czą­ce mniej znanego, ale real­ne­go zagro­że­nia, znanego jako “wybu­cha­ją­ce drzewa”. Mete­oro­lo­dzy ostrze­ga­ją, że spadek tem­pe­ra­tu­ry do 20 stopni poniżej zera może spo­wo­do­wać nagłe pękanie drzew, co stanowi zagro­że­nie dla ludzi, domów, pojaz­dów i linii ener­ge­tycz­nych w Dakocie Pół­noc­nej i Połu­dnio­wej, Min­ne­so­cie, Wiscon­sin, Iowa i Michigan.

Saluda Stan­dard Sentinel

Część treści została pod­par­ta równie dra­ma­tycz­ny­mi mate­ria­ła­mi video:

W ramach komen­ta­rza, pozwolę sobie na krótkie oświadczenie.

Pie­przyć sztucz­ną inte­li­gen­cję. Nawet nie dlatego, że wszyst­kie nagra­nia są koniecz­nie fał­szy­we, ale właśnie dlatego, że przez ten wysyp AI slopów, coraz trud­niej stwier­dzić na co tak napraw­dę patrzymy.

Dzię­ku­ję za uwagę. Teraz przejdź­my do nauki.

Drzewa nie wybu­cha­ją. W każdym razie nie eks­plo­du­ją w tak wido­wi­sko­wy sposób, jakby ktoś wrzucił do dziupli odbez­pie­czo­ny granat. Drzazgi nie fruwają po lesie z pręd­ko­ścią pocisku kara­bi­no­we­go i nie sta­no­wią real­ne­go zagro­że­nia dla przy­pad­ko­we­go spa­ce­ro­wi­cza. Prawdą jest nato­miast, że od czasu do czasu przy bardzo niskich tem­pe­ra­tu­rach, pień drzewa może pęknąć z całkiem dono­śnym trza­skiem. Brzmi to jakoś tak:

W języku arbo­ry­stów (takich pie­lę­gnia­rzy od drzew) zja­wi­sko to nosi nazwę pęk­nię­cia mro­zo­we­go. Mogłoby się wydawać, że to sprawka wody, która zama­rza­jąc i zwięk­sza­jąc swoją obję­tość roz­sa­dza pień. W rze­czy­wi­sto­ści główną rolę odgrywa gra­dient tem­pe­ra­tu­ry, spra­wia­ją­cy, że poszcze­gól­ne warstwy drewna “pracują” z różną inten­syw­no­ścią. Tak w skrócie.

A w wersji nieco dłuższej?

Drzewo nie stanowi prostej rury, jed­no­li­cie wypeł­nio­nej cylin­drem wody. Dlatego mecha­nizm pęk­nię­cia mro­zo­we­go to całkiem złożone zagad­nie­nie z pogra­ni­cza fizyki, den­dro­lo­gii i mate­ria­ło­znaw­stwa, które naj­sze­rzej opisał w latach 80. Hans Kubler z Uni­wer­sy­te­tu Wisconsin.

Nauko­wiec zwrócił uwagę, że samo pęk­nię­cie poprze­dza mrozowy skurcz drewna. Na pewno wiesz o tym, że np. szyny kole­jo­we zmniej­sza­ją zimą swoją długość w związku z wła­ści­wo­ścia­mi metalu (uspo­ko­je­nie drgań struk­tu­ry kry­sta­licz­nej skraca odle­gło­ści pomię­dzy atomami). Tutaj działa to trochę inaczej. W tem­pe­ra­tu­rze poniżej zera wilgoć ucieka ze ścian komórek drewna, prze­no­sząc się do pustych prze­strze­ni w ich wnę­trzach, gdzie zamarza. Same ściany komór­ko­we w tej sytu­acji zmniej­sza­ją swoje wymiary, niczym wysu­szo­na gąbka.

Sęk w tym (trudno o lepsze dopa­so­wa­nie tego zwrotu fra­ze­olo­gicz­ne­go), że drewno jest ani­zo­tro­po­we, tzn. wyka­zu­je inne wła­ści­wo­ści wzdłuż, a inne w poprzek swojej struk­tu­ry. Innymi słowy, woli kurczyć się w jednym kie­run­ku chęt­niej niż w drugim. W prak­ty­ce, pień kurczy się w kie­run­ku stycz­nym (po obwo­dzie słojów) nawet dwa razy mocniej niż pro­mie­nio­wo (pro­sto­pa­dle do słojów, jakbyś kroił pizzę).

Przy­kła­do­wo próbki buka euro­pej­skie­go przy ‑40°C kurczą się w kie­run­ku stycz­nym o 1,1%, ale tylko o 0,4% pro­sto­pa­dle do słojów. Dla drzewa to problem, ponie­waż chłód sprawia, że pień chciał­by ścisnąć bar­dziej swój obwód niż w promień. To tworzy naprę­że­nia. Jeżeli prze­kro­czą one wytrzy­ma­łość drewna, w którymś miejscu włókna w końcu puszczą, gene­ru­jąc krótką falę dźwię­ko­wą. Nastę­pu­je trzask.

Naocz­nym efektem jest powsta­nie podłuż­nej, pio­no­wej szramy, nie­rzad­ko się­ga­ją­cej w głąb pnia.

Dlaczego w takim razie wszystkie drzewa nie pękają?

Ważnym dopa­la­czem tego procesu jest gra­dient tem­pe­ra­tu­ry. Kiedy mroźną nocą tem­pe­ra­tu­ra powie­trza spada do ‑30°C, rdzeń grubego dębu jeszcze przez długi czas będzie wyraź­nie cie­plej­szy. Wewnętrz­ne warstwy utrzy­mu­ją więc swoją zwykłą obję­tość, podczas gdy te zewnętrz­ne kurczą się, dzia­ła­jąc jak przy­cia­sny pas.

Do tego większe lub mniej­sze zna­cze­nie mają wła­ści­wie wszel­kie czyn­ni­ki, jakie w tej sytu­acji mogą nam przyjść do głowy. Tempo wychła­dza­nia (nagłe wzrosty i spadki tem­pe­ra­tur), poło­że­nie drzewa (te rosnące blisko innych są bez­piecz­niej­sze), wil­got­ność terenu (czym większa tym gorzej), gatunek (dęby, brzozy i buki pękają czę­ściej niż sosny), a nawet kolor kory (ciemna szyb­ciej pochła­nia ciepło).

Szcze­gól­nie nara­żo­ne na uszko­dze­nia są te drzewa, które już posia­da­ją jakiś defekt. Każda nie­po­zor­na szcze­li­na zimą staje się kon­cen­tra­to­rem naprę­żeń. To słaby punkt w struk­tu­rze mate­ria­łu, podob­nie do rysy na powierzch­ni szyby, która tylko czeka, żeby się roz­sy­pać przy byle puk­nię­ciu. Nawet jeśli cał­ko­wi­te napię­cie w pniu utrzy­mu­je się poniżej granicy wytrzy­ma­ło­ści, w oko­li­cach bruzdy może lokal­nie prze­kro­czyć próg. No i trach.

Takie pęknięte drzewo ginie?

Drzewa to więksi twar­dzie­le od ludzi i metrowa szrama zwykle nie robi na nich więk­sze­go wra­że­nia. Na wiosnę, kiedy tem­pe­ra­tu­ra wraca do normy, pęk­nię­cie się zaskle­pia. Tak jak nasz orga­nizm łata rany płyt­ka­mi krwi, tak drzewa rege­ne­ru­ją się za sprawą kambium (miazgi twór­czej) wypeł­nia­ją­ce­go szcze­li­ny kalusem, nazy­wa­nym też mery­ste­mem przy­ran­nym. (Nie wiem czy to ciekawe, ale bardzo chcia­łem użyć sfor­mu­ło­wa­nia mery­stem przy­ran­ny. Jakiż piękny termin!).

Kalus działa jak natu­ral­ny plaster. Jeżeli kolejna zima będzie łagodna – może wytrzy­mać. Jeśli nie – rana otworzy się ponow­nie. Nie­rzad­ko taki proces sezo­no­we­go roz­sz­czel­nia­nia i zabliź­nia­nia powta­rza się przez lata. W takim przy­pad­ku na pniu tworzy się cha­rak­te­ry­stycz­ny pionowy “grzbiet” (frost rib), zbu­do­wa­ny z wielu warstw kalusu. Taka den­dro­lo­gicz­na blizna po szwie chirurgicznym.

No dobra, ale rzućmy jeszcze okiem na praw­dzi­we eks­plo­zje drzew.

Przecież ustaliliśmy, że drzewa nie wybuchają!

Nie w związku z niską tem­pe­ra­tu­rą. Spójrz na to zdjęcie:

Oto resztki wyso­kiej jodły, która rosła w arbo­re­tum Uni­wer­sy­te­tu Waszyng­toń­skie­go. Pień nie tyle pękł, co uległ roze­rwa­niu od środka. Drzazgi i kawałki gałęzi znaj­do­wa­no nawet sto metrów dalej. Nie­któ­re masywne frag­men­ty dosłow­nie zostały wbite w ziemię. Nie chciał­byś stać w pobliżu, kiedy do tego doszło.

Sprawcą tej den­dro­lo­gicz­nej masakry był piorun. Energia takiego wyła­do­wa­nia bez pro­ble­mu prze­kra­cza miliard dżuli – wystar­cza­ją­co do zago­to­wa­nia paru tysięcy litrów wody. Gwał­tow­ne pod­grza­nie soków drzewa i zamiana wody w parę może dopro­wa­dzić do nagłego roz­prę­że­nia. Wszyst­ko trwa ułamek sekundy, więc drewno, nie mając czasu na wypusz­cze­nie pary, zmienia się w prze­ro­śnię­ty granat odłamkowy.

Ale znów, osta­tecz­ny rezul­tat zależy od szcze­gó­ło­wych warun­ków. Zwykle wyła­do­wa­nie roz­cho­dzi się głównie po zewnętrz­nej, wil­got­nej war­stwie drzewa, pozo­sta­wia­jąc rdzeń nie­na­ru­szo­ny. Kora odleci, ale pień prze­trwa bez więk­sze­go uszczerb­ku. Jeżeli jednak drzewo kryje w swoim wnętrzu sporo prze­strze­ni wypeł­nio­nych wodą – każda burza jest jak rosyj­ska ruletka. W naj­gor­szym razie może dojść do eks­plo­zji. Ale takiej praw­dzi­wej, a nie jak w przy­pad­ku pęk­nię­cia mrozowego.

Kolejny dobry powód, żeby podczas burzy nie chować się w pobliżu drzewa.

A TAK W OGÓLE TO… Od strony mecha­ni­ki dość podob­nym zja­wi­skiem do pęknięć mro­zo­wych drzew, jest krio­sejsm lub trzę­sie­nie mrozowe. Zdarza się, kiedy gleba jest nasiąk­nię­ta wodą, po czym przy­cho­dzi nagły spadek tem­pe­ra­tu­ry. Jeżeli brakuje porząd­nej pokrywy śnież­nej (która działa jak koł­der­ka) woda w porach gruntu zamarza i zwięk­sza obję­tość. W którymś momen­cie podłoże pęka i wypusz­cza energię przy akom­pa­nia­men­cie gło­śne­go trzasku. Zwykle nie ma to więk­sze­go zna­cze­nia, ale w Fin­lan­dii odno­to­wa­no przy­pad­ki, w których trzę­sie­nie mrozowe dopro­wa­dzi­ło do pęk­nię­cia drogi lub uszko­dze­nia budynku.