بر اساس مطالعه ی جدیدی که توسط پژوهش­گرانی در فرانسه انجام یافته، در وقوع طوفان­ها یک سرعت بحرانی برای باد وجود دارد (حدود 90 کیلومتر بر ساعت) که در آن تقریباً تمامی درختان بدون توجه به اندازه یا گونه هایشان می­شکنند. این تیم نشان داده اند که این پدیده، با یک قانون ساده قابل توضیح است که بیان می کند چرا این سرعت بحرانی بشدت از قطر، ارتفاع یا ویژگی های کشسانی درختان مستقل است.

وقتی یک درخت در معرض باد شدیدی قرار می گیرد، ممکن است به یکی از سه سازوکار شکسته شود. اگر درخت در زمینی قرار گرفته باشد که رطوبت خود را از باران می گیرند یا اگر ریشه ی درخت فاسد شده باشد پدیده ی ریشه کن شدن می تواند رخ دهد. راه دیگر آن که اگر ریشه ها بتوانند دوام بیاورند آنگاه تنه ی درخت در معرض خطر شکسته شدن قرار می گیرد (یا از طریق پیچش یا معمولاً از طریق خم­شدن). ایمانوئل ویروت (Emmanuel Virot) و همکارانش در مطالعاتشان در اکول پلی تکنیک و ESPCI پاریس تِک عمدتاً بر روی پدیده ی اخیر تمرکز داشته اند که به «stem lodging» معروف است.

خوراکی طوفان

کنجکاوی این تیم در مورد پدیده­ی «stem lodging» به عواقب طوفان «کلوس» باز می­گردد؛ گردباد سال 2009 که باعث صدمات گسترده ای در بخش هایی از اروپا شد. داده هایی که پس از این طوفان جمع آوری شده نشان می دهد که بزرگ ترین صدمات به جنگل ها در مناطقی وارد شده که سرعت باد در آن ها بیش از 42 متر بر ثانیه بوده است؛ بدون توجه به سن و نوع درخت چه از نوع سوزنی برگ (همچون درخت کاج) و چه پهن برگ (همچون درخت بلوط) به شکل مشابهی تحت تاثیر قرار می گیرند.

مقاومت چوب در طول قرن­ها مورد توجه بوده است و درمیان کاوش گران آن نام هایی چون لئوناردو داوینچی، گالیلئو گالیله و کنت دِ بوفون به چشم می خورد. بر اساس تمامی آزمایش های پیشین بایستی قدرت یک درخت بلند و ضخیم (یا حداقل تخته و الوار) با قدرت یک درخت نازکِ کوتاه برابر کند اما هیچ اتفاقِ نظری در قوانین مقیاس­گذاری دقیق برای آن وجود نداشته است.

برای کاوش این موضوع، ویروت و همکارانش آزمایش­هایی را بر روی میله­های افقی درخت راش انجام داده­اند. هرچند تفاوت­های مکانیکی که مابین گونه­های درختان وجود دارد ناچیز است اما درخت راش چنان انتخاب شده که چوب آن دارای ویژگی­های متوسط باشد. با ثابت نگه داشتن یک انتهای هر میله محققان وزنه­های افزاینده­ای را به دیگر انتهای آن وارد کرده­ و انحنای میله­های خم شده را تا زمان شکستن آن­ها اندازه گرفته­اند. شکستگی، نزدیک به انتهای ثابت میله و در یک شعاع انحنای بحرانی رخ می­دهد که به قطر و طول میله مربوط است.

شکستن شاخه­ها

پژوهش­گران از این رابطه استفاده کرده و کمیت وزن را با یک مدل نیروی باد جایگزین کرده و یک قانون مقیاس­گذاری را برای سرعت باد توسعه داده­اند؛ سرعتی که در آن درختان می­شکنند. با درنظر داشتن این نکته که قطر درختان تقریباً با دوبرابر شدن ارتفاع­شان متناسب است، پژوهشگران نشان داده اند که سرعت بحرانی تنها به شکل ضعیفی به ابعاد فیزیکیِ درخت وابسته است؛ دوبرابرشدن ارتفاع درخت تنها 9 درصد سرعت بحرانی را افزایش می­دهد. بنظر می رسد ویژگی های کشسانیِ چوب تاثیر مشابه کوچکی را داشته باشد.

آن طور که ویروت توضیح می دهد: «این موضوع که چرا تمامی درختان در سرعت یکسانی می شکنند را مطالعه کرده و دریافتیم که توضیحی بر اساس نتایج مکانیک و زیست شناسی همچون معادله ی الاستیک اویلر، معیار گریفیتز و اندازه گیری رشد موجودات وجود دارد که به ترتیب کشسانی، شکستگی و شکل درخت را توصیف می کند». «نتیجه اینکه درختان برخلاف اختلاف های بیولوژیکی شان (اندازه، سن و گونه) تقریباً در سرعت باد یکسانی می شکنند.

بری گاردینر (Barry Gardiner) متخصص پرورش جنگل در INRA بوردو – ناحیه آکیتن که در صدمات ناشی از نیروی باد تخصص داشته ولی در این مطالعه درگیر نبوده است، این کار را بسیار جالب توجه توصیف می­کند. بنظر او این پژوهش وسیله­ای است که با آن می توان فهم بهتری از کنترل صدمات ناشی از باد بر روی درختان بدست آورد. به گفته ی وی با این حال بنظر می رسد این نتیجه گیری که وابستگی سرعت بحرانی باد به ارتفاع درختان را ضعیف می شمرد، با مطالعات پیشین که بر روی تاثیرات طوفان انجام یافته در تناقض است؛ مطالعاتی که گزارش داده اند که ارتفاع درختان پیش گوی بسیار مهمی در احتمال صدمات ناشی از طوفان است.

وی می افزاید: «از نقطه­نظر بیولوژی این کار فرضیات بسیاری را برای ساده سازی دنیای طبیعی می طلبد. این مدل حالت باد یکنواخت و ریختن کامل شاخه درختان را مفروض می داند؛ دو عاملی که معمولاً در طوفان های واقعی منعکس نمی شوند.» «چیز دیگری که برای یادآوری بسیار مهم است این است که درختان موجودات زنده هستند بنابراین در تمام زمان ها خودشان را تنظیم کرده و به نوعی با طبیعت مانوس می شوند – یعنی درختان ساختار مهندسی انفعالی ندارند.»

این پژوهش در مجله ی فیزیکال ریویو لترز ای توصیف شده است.

درباره‌ی نویسنده:

ایان راندال (Ian Randall) نویسنده­ای علمی در نیوزیلند است.

منبع:

Trees break at fixed wind speed, irrespective of size or species