Pohyblivé kameny v Údolí smrti

Znám údolí, které skrývá tajemství. Leží v Národním parku Death Valley v Kalifornii a je extrémně suché. Teploty někdy vyšplhají přes 50 °C, jindy klesnou hluboko pod bod mrazu. Živých organismů tu moc není, protože skály a písek jsou vystaveny větru, vedru a mrazu. Tajemství, které dostalo jméno závodící kameny, zlákalo i mě.

Poprvé jsem se do místa zvaného Racetrack (závodní dráha) vydal na konci r. 2008. Po dvou hodinách jízdy po kamenité a hodně prašné cestě jsem konečně u cíle. Sjíždím k rovné ploše velkého jezera bez vody. Jeho „hladinu“ tvoří ztuhlé bláto rozpraskané do krásných tvarů, které připomínají glazuru staré čínské keramiky. Jezero je ze všech stran obehnané horami. V jeho středu se tyčí skála, která dostala jméno Grand Stand – Velký monument.

Hledím na jezero a představuji si, co se děje, když prší či sněží. Údolí nemá žádný odtok, takže voda se musí vsáknout nebo vypařit. Vše nasvědčuje tomu, že po době ledové bylo jezero napájeno okolními ledovci; na dně je rozsáhlá plocha usazenin složených z jemného písku a jílu. Poté, co jezero vyschlo, zůstala na jeho místě téměř ideální rovina pokrytá rozpukaným bahnem.

Bystřím zrak a hledám pověstné závodící kameny. Vidím několik tmavých teček. Nejvíc jich je soustředěno v jižním cípu jezera, vydávám se tedy za nimi, abych se jejich záhadu pokusil rozluštit. První záznam o tom, že se kameny na jezerním jílovitém povrchu přemísťují, je z roku 1915. V zatvrdlém jílu jsou za kameny zřetelné brázdy, vedle nich však nevedou žádné šlápoty či jiné otisky hybatele – a to se udává, že stopy v blátě vydrží sedm i více let. Občas je u usazeného kamene hromádka tuhého bahna. Někdy tam je brázda a hromádka, ale kámen chybí, brázda končí naprázdno.

Je zřejmé, že kameny se mohou pohybovat, jen když na jezeře vzniknou příhodné podmínky. Ale jaké? Prvním předpokladem je, že povrch se stane kluzkým, a kluzký může být jen tehdy, když naprší. Voda připraví paletu ke kresbě a voda čáry také maže.

Zkoumám dráhy. Někdy jsou dlouhé stovky metrů, jindy jen krátké. Někdy jsou klikaté a jindy přímočaré, občas je rýha po kameni dokonce zalomená do ostrého úhlu. Některé čáry vedou osamoceně, jiné jdou vedle sebe jako stopa od velkých hrábí. A zatímco uprostřed jezera jde většina drah od severu k jihu, v jeho jižním cípu jsou chaotičtější a míří do všech světových stran. Vyskytují se i páry kamenů, které nejprve vyrazily stejným směrem, pak se ale jejich dráhy překřížily, jako by si vyměnily pozice a pokračovaly znovu paralelně. V bludišti čar si všimnu důležitého opakujícího se detailu: každá dráha je na konci vzdáleném od kamene užší a směrem k místu, kde kámen sedí, je vryp postupně širší a hlubší. Velikosti vrypů samozřejmě závisejí na velikosti kamenů a jejich tvarech. Jsou tu kameny malé jako pěsti i „chlapáci“ zvíci pytle cementu.

Několik teorií

Na popisné tabuli na okraji jezera se píše, že kameny pravděpodobně posouvá vítr. Na silný vítr skutečně poukazují i první badatelé, kteří v dobách, kdy ještě Racetrack nebyl chráněn jako národní park, mohli uskutečnit pokus, jenž by dnes nebyl možný. Je-li jezero vlhké a měkké, nesmí se dnes na něj vstoupit, natož přistát s letadlem. V minulosti však bylo možné využít proudu vzduchu z vrtulí letadla a nasměrovat jej na různé kameny, které byly položeny na mokré a kluzké bahno. Kameny se skutečně daly do pohybu. Nicméně objevily se dva problémy. Síla umělého větru, který kameny posouval, neodpovídala přirozenému větrnému proudění v oblasti. A za druhé kameny sice zanechávaly stopu, jenomže tím, že se kutálely. Posouvaly se pouze placaté kameny.

Pozdější pozorovatelé si všimli, že se jezero občas, ač zřídka, zalije dešťovou vodou. Vrstva vody může být 5–10 cm vysoká. Také si všimli, že teplota může klesnout pod nulu a jezero zamrzne. V ledu pak zamrznou i kameny. Bylo by tedy možné, že když led začne odtávat a současně fouká silný vítr, začne led okolo kamenů plnit funkci plachty, do které se opírá vítr, a tak posouvá kameny po vlhkém bahně. Pokud by byl kámen takto uchopen a postrkován větrem, v průběhu dráhy a zvláště na jejím konci by musela být známka otisku ledu v bahně. Takový otisk se ale nikde nepodařilo objevit. V bahně utuhne jen dráha po kameni a kopeček hlíny před ním, jako by kámen hlínu hrnul před sebou.

Jiná hypotéza poukazuje na to, že by kameny mohly klouzat po bobtnajícím povrchu. Prověřil jsem si hypotézu skluzavky, když jsem navštívil údolí v zimě v roce 2010. Zima se zdá být kritickou dobou, kdy se kameny posouvají. Vše nasvědčuje tomu, že spíš než vítr je důležitým hybatelem zmrzlá voda na jezeře. Dorazil jsem k jezeru a zaradoval se, neboť jižní část jezera byla pod vodou. Dokonce tam byla i tenká vrstva ledu. Navlhčení jílu bylo dostatečné. Jíl může bobtnat na každé straně jinak třeba proto, že jedna část je ve stínu a druhá nikoli. Jíl pak vytvoří nakloněné plošky. Z měření a pozorování bobtnajícího jílu a sklonu ploch bylo zřejmé, že efekt je sice patrný, ale nedostačuje k tomu, aby se kámen pohnul.

Potřeboval jsem vědět, jak se v průběhu času mění vlhkost a teplota bahna. Přibližně uprostřed jezera jsem si našel vhodný kámen a kolem něj jsem do prostoru i do hloubky nainstaloval 25 záznamníků dat, které jsou známy jako iButton. Jsou velké jako větší baterka do hodinek a pomocí mikroprocesoru měří teplotu a vlhkost okolního prostředí. Senzory jsem naprogramoval a za několik měsíců si pro ně do Death Valley přijel.

Nové poznatky

Bylo to v létě téhož roku. Přijelo se mnou i sedmnáct studentů prestižních amerických vysokých škol, kteří získali letní studijní pobyt v Goddardově kosmickém středisku NASA. Hledání záhady závodících kamenů jsem jim zadal jako předmět vědeckého bádání. Měli zmapovat dráhy kamenů na rozdělených teritoriích jezerní plochy − zaznamenat polohy kamenů, jejich tvar, směr a charakteristiku pohybu, vyfotografovat dráhy i kameny, změřit šířku a hloubku puklin v jílu, délku a šířku drah a výšku nahrnutého jílu. Měřili také magnetickou susceptibilitu jílu i kamenů a radioaktivní pozadí v oblasti. Sbírali jsme data a zajímali se o všechno, co by nás případně mohlo vést k rozřešení záhady.

Z nabytých poznatků a následných diskusí vyplynuly dva zajímavé faktory, které se doposud nikde v literatuře nevyskytly. První zajímavostí bylo to, že jsme identifikovali velké množství drah, na jejichž konci sice byla hromádka jílu, ale kámen chyběl. Po konzultaci s lidmi, kteří v minulosti oblast Racetrack sledovali, jsem zjistil, že si úkazu sice všimli, ale domnívali se, že kameny zřejmě někdo odnesl. S takovým závěrem jsme se nespokojili, protože z našich pozorování vyplynulo, že více než 50 procent drah nemá na konci kámen. Jsou to často dráhy méně zřetelné, přesto se dají dokumentovat.

Dalším novým poznatkem bylo, že dráhy v bezprostřední blízkosti kamenů jsou vždy širší a hlubší. Postupná měření od kamene proti směru jeho předchozího pohybu ukázala, že dráha se zužuje, až zmizí. V některých případech bylo v průběhu dráhy místo s hromádkou jílu bez kamene a dráha pak pokračovala tak, že byla nejprve užší a pak se rozšiřovala.

Tato dvě nepublikovaná pozorování se stala klíčem k nové diskusi a k novému nasměrování, co asi může pohybovat kameny v Racetrack. Zaměřili jsme se na prověřování dat o tom, jak rychle proniká vlhkost z případného deště či sněhu do hloubky pod jílem. K tomu posloužily zakopané senzory iButton. Vlhkost pronikala do bahna rychlostí 1 cm za hodinu. Abychom si ověřili rychlost prosakování v praxi, přejeli jsme do podobného údolí v Nevadě, kde se kameny také pohybují, ale jsou výrazně menší. Jmenuje se Bonnie Claire. Leží mimo národní park Death Valley a mohli jsme tedy odebírat vzorky a vykopávat malé příkopy, abychom změřili rychlost průsaku vody. Vodu jsme si s sebou museli přinést. Naměřili jsme rychlost prosakování 3 cm za hodinu, což souvisí s tím, že usazenina v Bonnie Claire obsahuje méně jílu.

Jak to asi probíhá

Zkušenost mě přiměla ke shrnutí poznatků. Základním předpokladem pro pohyb kamene je přítomnost vody. Jediný zdroj vody je déšť. Prosakování je důležitý faktor, ale vliv může mít i spodní voda. Mráz v údolí může z vody udělat led. Vzpomněl jsem si na svého profesora ze studií Herba Wrighta z Minnesotské univerzity. Učil mě glaciální geologii a vždy s oblibou říkal: „Pokud si něco nedokážeš vysvětlit, tak si do problému přimysli led a uvědom si, že led se chová jako skála, která se vypaří. Roztaje a nezanechá žádné stopy.“ Moje představivost rozvinula příběh.

Jednoho večera se nad vyschlým jezerem s kameny rozházenými jako po hrací desce spustí liják. Jezero se zalije vodou. Kameny vykukují z vodní hladiny, protože vody je jen 5 až 10 centimetrů. Nastane noc, přestane pršet a vyjasní se. Kolem je poušť. Vzduch se ochladí hluboko pod bod mrazu. Voda promrzne. Možná i do hloubky tří centimetrů. Led kameny uchopí shora. Zespodu stále sedí v měknoucím bahně. Do jílu prosakuje voda rychlostí jednoho centimetru za hodinu a soupeří s vodou, která do jezera přitéká. Přítok je větší než rychlost vsakování. Voda v jezeře stoupá a s ním i krusta ledu, která v sobě vězní kameny. Neprší, ale voda dál stéká z kopců. Kopce samy vodu absorbují a posílají podzemními cestami do jezera. Pak přijde ráno. Poušť se probouzí do horkého dne. Tam, kde se jezero dotýká břehů, je led nejtenčí. Z údolí nevede žádný potůček. Část vody se vypaří, většina ale skončí v jezeře. Pod ledem se nashromáždí tolik vody, že zvedá ledovou krustu a kameny ztrácejí pevný kontakt s bahnitým jílem. Oddělí se od své předchozí dráhy vyryté v bahně. Je teplý den. Led taje a ze souvislé vrstvy ledu se stávají malé ledové kry, které se dají do pohybu. Plují po jezeře a s nimi i závodící kameny. Vzdalují se svým předešlým dráhám a začnou tvořit dráhy zbrusu nové. Proto některým dráhám chybí kámen! Předešlou stopu nestačila voda vymazat. Přísun vody do jezera začne postupně slábnout. Odtékání vyhraje nad přitékáním a hloubka vody v jezeře klesá. Kameny upevněné v ledu se začnou dotýkat bahnitého dna. Chomouty ledu poskytují kamenům dostatečný vztlak. Pohyb se nezastaví. Možná ledovým krám dopomáhá v pohybu vítr, možná vnitřní proudy v jezeře, možná obojí. Kameny cestují a drhnou o dno; nejprve málo, proto je jejich stopa úzká a mělká. Kámen rýpe do jílu jen svým výčnělkem. Pak ale dosedá větší plochou a jeho stopa je stále širší a hlubší. Kameny píší tajemné čáry a hrnou před sebou jíl. Nakonec už kra kámen neutáhne a ten se zastaví. Před ním zůstane kopeček. Led roztaje, voda mizí, bahno tuhne, vysychá a praská. Kámen je znovu pevně spojen s povrchem jezera, dokud nepřijde další déšť a mráz.

Vyzval jsem své studenty, abychom příběh stvrdili experimentem. Udělali jsme akvárium, které bylo 2 cm široké, 60 cm dlouhé a 20 cm vysoké. Na dno jsme umístili bahno z vyschlého jezera a položili na něj kamínky v průměru jeden až dva centimetry. Pak jsme vše zalili vodou tak, aby voda byla asi 3 cm nad povrchem bahna. Na povrch takto vytvořené hladiny jsme umístili jednu stranu měděného obdélníkového plechu asi 1 mm tlustého, jehož druhou stranu jsme ponořili do nádobky s kapalným dusíkem o teplotě –198 °C. Měděný plech odváděl teplo z povrchu akvária. Od povrchu se začal utvářet led, který sílil, až ovinul i kamínky. V té chvíli jsme odstranili plech a odpojili akvárium od zdroje mrazení. Na povrch ledu jsme pak přilili tolik studené vody, aby hladina stoupla přibližně o dva centimetry. Modelovali jsme tak přísun vody z okolních kopců v údolí Racetrack. Jak led roztával, odpojil se od stěn akvária a vynesl kamínek 2 cm nad povrch bahna. Experiment potvrdil, že led může kámen ode dna zvednout a kra může s kamenem cestovat po jezeře. Na podzim roku 2010 jsem se k jezeru Racetrack rozjel znovu. Chtěl jsem si samozřejmě vyzvednout data, která kolem mého kamene stále měří senzory iButton. Hlavně jsem však chtěl najít spodní pramen, zdroj spodní vody, který by pomohl zvýšit objem vody a nadzvednout kameny. Pramen jsem opravdu našel. Je asi 120 m od břehu ve východním výběžku jezera. Dal jsem mu jméno Gindarja. Potvrzuje mou hypotézu, že objem vody pod ledem je klíčem k záhadě. K pramenu mě přivábila malá oázka keříků, které nikde jinde v jezeře nerostou. Nyní jsou na jednom z nich zavěšené senzory a měří výšku vody v čase. V místě jsem našel několik kuželovitých otvorů směřujících do nitra země. Je možné, že se voda těmito otvory v kritickém okamžiku tlačí do jezera artézskými vodotrysky. Otvory mohou sloužit také jako kanálky, jimiž přebytečná voda nakonec i odteče.

Aplikace v nanotechnologiích

Moje teorie záhadného putování kamenů v Racetrack mě přivádí k úvaze, jak by se podobný princip dal využít v průmyslu. Kameny jsou velké částice, které je možno přesunovat po hladkém povrchu. V nanotechnologii je podobným problémem odstranění prachových částic z delikátních povrchů budoucích mikroelektronických přístrojů. Prachové částice na povrchu by se mohly zalít do vodní vrstvičky či teplého vosku. Poté by bylo vhodné využít ztuhnutí ledu či vosku na povrchu, aby pevná hmota uchopila prachové částice a odnesla je na stále ještě kapalném rozhraní.

Poděkování: Děkuji Richardu Friesemu z národního parku Death Valley, kolegům Cynthii Cheungové a Brianu K. Jacksonovi z Goddardova kosmického střediska NASA, Moně Fridayové ze Salish Kootenai College a Vilému Mikulovi z Catholic University of America. Můj dík si zaslouží i studenti: Andrew Ryan, Emerald McKinney, George Fercana, Kristopher Schwebler, Leva McIntire, Devon Miller, Valerie Fox, Jessica Marbourg, Clint Naguin, Mindona Krzykowski, Justin Wilde, Emily Kopp, Gregory Romine, Kyle Yawn, Ian Schoch, Dan Burger, Kynan Rilee.

Děkuji také své spoluautorce Darje Kawasumiové za významné přispění k české podobě článku a za literární dramatizaci textu.