Popatrz na pobocze drogi po ulewnym deszczu — tam, gdzie rośnie trawa, ziemia zwykle wygląda tak samo jak przed deszczem, ale tam, gdzie jest goła, często widać bruzdy wyżłobione przez wodę. To nie przypadek, tylko zjawisko, które można w kilkanaście minut odtworzyć na własnym stole, używając dwóch butelek, trochę ziemi i odrobiny trawy.

Co nam będzie potrzebne?

  • dwie identyczne plastikowe butelki po napojach (1,5 l), przecięte wzdłuż na pół
  • ziemia ogrodowa (tyle, żeby wypełnić obie połówki butelek)
  • kawałek darni z trawą (albo trawa zasiana i podlewana przez 1–2 tygodnie wcześniej w jednej z połówek)
  • konewka lub butelka z dziurkami w nakrętce (do symulowania deszczu)
  • dwa duże talerze lub miski (do zbierania wody spływającej z butelek)
  • kilka książek lub klocków (do ustawienia butelek pod kątem)
  • łyżka do wyrównania ziemi

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Przygotowanie dwóch identycznych poletek. Przetnij obie butelki wzdłuż tak, żeby powstały dwie podłużne „rynny”. Do każdej wsyp taką samą ilość ziemi ogrodowej i wyrównaj ją łyżką, żeby warstwa miała podobną grubość w obu pojemnikach. Do jednej z rynien wsadź darń z trawą albo skorzystaj z trawy, którą zasiałeś wcześniej i która zdążyła urosnąć — jej korzenie muszą już przenikać ziemię. Druga rynna zostaje z gołą, niczym nieporośniętą ziemią — to twoja próbka kontrolna.

Krok 2: Ustawienie poletek pod kątem. Podłóż pod górny koniec każdej butelki kilka książek lub klocków tak, żeby obie rynny miały dokładnie taki sam kąt nachylenia — im większy kąt, tym gwałtowniejszy będzie spływ wody, ale najważniejsze jest to, żeby oba poletka nachylić identycznie, bo inaczej porównanie nie będzie uczciwe. Pod dolnym, otwartym końcem każdej rynny postaw talerz lub miskę, która złapie wodę i ziemię spływającą podczas „deszczu”.

Krok 3: Symulacja deszczu. Napełnij konewkę albo butelkę z dziurkami w nakrętce wodą i polej obie rynny w ten sam sposób — z tej samej wysokości, w tym samym tempie i tą samą ilością wody. Możesz odmierzyć np. pół litra wody na każdą rynnę, żeby porównanie było jak najbardziej sprawiedliwe. Obserwuj, co dzieje się na powierzchni ziemi w trakcie „opadów” — czy widać już różnice, zanim woda zdąży spłynąć do miski?

Krok 4: Porównanie wyników. Kiedy skończysz podlewanie, przyjrzyj się obu miskom pod spodem. W misce spod gołej ziemi zwykle zbiera się woda mętna od rozpuszczonej gleby, a czasem nawet grudki ziemi, które zsunęły się z rynny. W misce spod trawy woda jest zazwyczaj wyraźnie czystsza, a samej ziemi na dnie miski jest znacznie mniej albo nie ma jej wcale. Zajrzyj też na samą powierzchnię rynien — goła ziemia często ma widoczne bruzdy i ubytki, a ziemia pod trawą wygląda niemal tak samo jak przed „deszczem”.

Wyjaśnienie naukowe

To, co obserwujesz, to erozja wodna gleby — proces, w którym spływająca woda odrywa cząsteczki ziemi od podłoża i unosi je ze sobą. Kropla deszczu spadająca na gołą glebę uderza w nią z pewną energią kinetyczną, rozbija grudki ziemi na drobniejsze cząstki i rozpryskuje je na boki — to zjawisko nazywa się erozją kropelkową. Gdy wody na powierzchni przybywa, zaczyna ona spływać w dół zbocza, a im szybciej płynie, tym więcej cząstek gleby jest w stanie unieść i przetransportować dalej. Właśnie dlatego woda w misce spod gołej ziemi jest mętna — niesie ze sobą tysiące mikroskopijnych cząstek gleby, które w przyrodzie trafiłyby do strumieni, rzek i jezior.

Korzenie trawy działają jak gęsta sieć, która fizycznie oplata cząstki gleby i trzyma je na miejscu, nawet gdy po powierzchni płynie woda. Same źdźbła trawy dodatkowo spowalniają spływającą wodę i rozpraszają energię uderzających kropli, zanim dotrą one do gleby — to zjawisko przypomina to, co dzieje się w eksperymencie z erozją i konwekcją wody , gdzie ruch cieczy też zależy od przeszkód i oporów, jakie napotyka. Im gęstsza roślinność, tym mniej wody dociera bezpośrednio do gleby z pełną prędkością, a to, co dotrze, ma znacznie mniejszą szansę oderwać i unieść cząstki ziemi. To dlatego zbocza porośnięte lasem czy łąką erodują znacznie wolniej niż tereny wylesione czy pola uprawne pozostawione bez okrywy roślinnej.

Woda, która porywa cząstki gleby, pochodzi z tego samego cyklu, który poznasz w doświadczeniu z deszczem w słoiku — para wodna skrapla się w chmury, spada jako deszcz i albo wsiąka w ziemię, albo spływa po jej powierzchni, unosząc ze sobą wszystko, czego nic nie trzyma na miejscu. Erozja gleby to nie tylko ciekawostka przyrodnicza, ale poważny problem gospodarczy i środowiskowy na całym świecie. Organizacja Narodów Zjednoczonych do spraw Wyżywienia i Rolnictwa szacuje, że rolnictwo traci rocznie miliardy ton żyznej warstwy gleby właśnie z powodu erozji wodnej i wietrznej, a odtworzenie zaledwie kilku centymetrów urodzajnej gleby zajmuje naturze setki, a nawet tysiące lat. Wielki Kryzys Pyłowy (Dust Bowl) w Stanach Zjednoczonych w latach 30. XX wieku to przykład katastrofy, do której doprowadziło masowe usunięcie roślinności stepowej pod uprawy — gdy nadeszła susza, nic nie trzymało już gleby w miejscu, a wiatr uniósł miliony ton ziemi w gigantycznych burzach pyłowych. Dziś rolnicy i leśnicy stosują takie metody jak uprawa bezorkowa, sadzenie pasów zadrzewień śródpolnych czy tarasowanie zboczy górskich, żeby chronić glebę przed tym samym mechanizmem, który właśnie zobaczyłeś w miniaturze na swoim stole.

Warianty

Erozja w jaskiniach zamiast na zboczu. Erozja to nie tylko zjawisko powierzchniowe — woda potrafi też wypłukiwać i przenosić minerały wewnątrz skał, tworząc z czasem jaskinie i formacje naskalne. Zobacz, jak podobny mechanizm w przyspieszonej wersji odtwarza hodowla stalaktytów z sody oczyszczonej , gdzie zamiast erozji zachodzi odwrotny proces — osadzanie się minerałów z roztworu.

Trzy rodzaje pokrycia. Zamiast dwóch rynien przygotuj trzy: gołą ziemię, ziemię pokrytą trawą i ziemię przykrytą warstwą liści lub słomy (tzw. mulczem). Sprawdź, które pokrycie najlepiej chroni glebę przed spływającą wodą — może się okazać, że nawet sama warstwa suchych liści znacząco ogranicza erozję, mimo że nie ma żywych korzeni.

Wpływ kąta nachylenia. Powtórz doświadczenie z gołą ziemią, ale za każdym razem zwiększaj kąt nachylenia rynny (np. o wysokość jednej książki więcej). Zmierz albo oszacuj, ile ziemi spłynęło do miski przy każdym kącie. Przekonasz się, że im bardziej strome zbocze, tym gwałtowniejsza erozja — dokładnie dlatego górskie tereny bez roślinności są tak podatne na osuwiska.

Deszcz o różnym natężeniu. Zamiast wylewać wodę powoli i równomiernie, spróbuj wylać tę samą ilość wody na raz, gwałtownie, symulując nawałnicę. Porównaj skutki z powolnym, delikatnym podlewaniem tej samej ilości wody rozłożonym w czasie. Zobaczysz, że gwałtowne ulewy powodują znacznie większą erozję niż ta sama ilość wody rozłożona na dłuższy czas — to jeden z powodów, dla których zmiany klimatu i coraz częstsze nawałnice tak mocno niepokoją rolników.

Często zadawane pytania

Dlaczego woda spod gołej ziemi jest mętna, a spod trawy prawie czysta? Mętność wody bierze się z mikroskopijnych cząstek gleby, które zostały oderwane od powierzchni i uniesione przez spływający strumień. Na gołej ziemi nic nie chroni tych cząstek przed uderzeniami kropli i naporem spływającej wody, więc łatwo trafiają do wody i czynią ją mętną. Pod trawą korzenie trzymają cząstki gleby mocno w miejscu, a same źdźbła spowalniają wodę na tyle, że nie ma ona wystarczającej energii, by masowo unosić glebę, dlatego to, co spływa do miski, jest znacznie czystsze.

Czy erozja gleby dotyczy tylko terenów rolniczych, czy też miast? Erozja zachodzi wszędzie tam, gdzie gleba jest odsłonięta i nie ma nic, co spowalniałoby spływającą wodę, więc dotyczy zarówno pól uprawnych, jak i placów budowy, wykopów czy stoków narciarskich latem. W miastach dodatkowym problemem jest to, że duże powierzchnie są pokryte asfaltem i betonem, przez co woda w ogóle nie wsiąka w grunt, tylko gwałtownie spływa do kanalizacji, zabierając po drodze ziemię z każdego nieutwardzonego skrawka. Dlatego w wielu miastach projektanci zieleni miejskiej celowo sadzą trawniki i krzewy na skarpach oraz nasypach, żeby ograniczyć erozję i zapobiec zamulaniu studzienek kanalizacyjnych.

Jak długo trzeba czekać, żeby zobaczyć wyraźną różnicę między dwoma poletkami? Wystarczy jedno „symulowane opady” trwające zaledwie kilka minut, żeby zobaczyć wyraźną różnicę w mętności wody i ilości osadzonej ziemi w misce, ponieważ efekt erozji jest widoczny niemal natychmiast po kontakcie wody z glebą. Jeśli chcesz zobaczyć efekt jeszcze bardziej dramatyczny, powtórz podlewanie tej samej rynny z gołą ziemią kilka razy pod rząd — z każdym kolejnym „deszczem” powierzchnia będzie coraz bardziej pobruzdżona i wypłukana. W przyrodzie ten sam proces zachodzi latami, ale skutki pojedynczej gwałtownej ulewy na niezabezpieczonym zboczu bywają widoczne już następnego dnia.