Физиците може да са пропукали състоянието на „дзен“ камъни, балансирани върху ледени основи

Посетете Малкото море на езерото Байкал в Русия през зимата и вероятно ще видите необичайно явление: плоска скала, балансирана върху тънък слой лед, наподобяваща натрупването на дзен камъни, често срещани в японските градини. Това явление понякога се нарича Байкал Дзен формация. Типичното обяснение за появата на тези образувания е, че скалите улавят светлина (и топлина) от слънцето и това разтопява леда отдолу, така че остава тънка основа, която да ги поддържа. Водата под скалата се регенерира през нощта и се смята, че вятърът също може да бъде фактор.

Сега двама френски физици смятат, че са разгадали загадката как се формират тези структури, според нов изследователски документ, публикуван в Proceedings of the National Academy of Sciences – и тяхното решение няма нищо общо с топлопроводимостта на камъка. Вместо това те приписват образуването на явление, известно като сублимация, при което снегът или ледът се изпаряват директно в пара, без да преминават през водната фаза. По -конкретно, сянката, предоставена от камъка, възпрепятства скоростта на сублимация на околния лед в околностите му, докато далечният лед се сублимира с по -бързи темпове.

Много подобни образувания се срещат естествено в природата, като напр шапки (високите обвиващи структури, които се образуват в продължение на милиони години в седиментни скали), гъбени скали Или скални стълбове (основата е ерозирала от силни, прашни ветрове) и ледникови маси (голям камък, който седи несигурно върху тясна основа от лед). Но основните механизми, чрез които те се формират, могат да бъдат напълно различни.

Например, като Отчетохме миналата годинаЕкип от приложни математици от Нюйоркския университет е изследвал така наречените „каменни гори“, разпространени в някои региони на Китай и Мадагаскар. Тези заострени скални образувания, като например известните каменна гора В китайската провинция Юнан, в резултат на разтварянето на твърди вещества в течности в присъствието на гравитация, което води до естествени конвекционни потоци.

На повърхността тези каменни гори изглеждат донякъде подобникаещи се„: Снежни облаци лед са открити в много сухия въздух високо в ледниците на Андите. Чарлз Дарвин описва каещите се през 1839 г. по време на експедиция през март 1835 г., докато си проправя път през снежни полета, покрити с каещи се на път от Сантяго, Чили, До аржентинския град Мендоса физиците успяха да го пресъздаде Синтетични копия на разкаялите се in vitro. Но каещите се и каменните гори всъщност са доста различни по отношение на механизмите, участващи в тяхното формиране. Шиповете на каменната гора бяха издълбани от потоци, които не играят голяма роля за образуването на каещи се.

някои физици имате предложение че разкаялият се форма, когато Слънчевата светлина изпарява снега директно в пара (сублимация). Образуват се малки върхове и корита, а слънчевата светлина се улавя вътре, създавайки допълнителна топлина, която гравира по -дълбоките корита, а тези извити повърхности от своя страна действат като леща, ускорявайки процеса на сублимация още повече. че алтернативно предложение Той добавя допълнителен механизъм за отчитане на особените периодични разстояния между каещите се: комбинация от дифузия на пара и пренос на топлина води до много стръмен температурен градиент и по този начин до по -висока скорост на сублимация.

В случая с каменни образувания Baikal Zen, процесът изглежда подобен на хипотезата за сублимацията на каещите се, според съавторите Никола Таберлет и Никола Плехон от Националния център за научни изследвания в Лион, Франция. По -рано този месец, хм Публикувано е донякъде свързано проучване В Physical Review Letters за естественото образуване на ледникови потоци (скала, поддържана от тънка колона лед). Те успяха да произвеждат малки потоци изкуствени ледници в контролирана среда и откриха два конкурентни ефекта, контролиращи началото на образуването на ледници.

При по -малки каменни капачки с по -висока топлопроводимост геометричното усилване на топлинния поток кара капачката да потъне в лед. За по -голяма капачка с по -ниска топлопроводимост, намаляването на топлинния поток възниква от факта, че капачката има по -висока температура от околния лед, образувайки маса.

В това последно проучване Таберлет и Плихон искат да изследват механизмите, лежащи в основата на естественото формиране на байкалски Дзен структури. „Рядкостта на това явление произтича от недостига на дебели, плоски и безснежни ледени слоеве, които изискват дългосрочни студени и сухи условия“, пишат авторите. „Метеорологичните записи показват, че размразяването е почти невъзможно и вместо това атмосферните условия (вятър, температура, относителна влажност) благоприятстват сублимацията, за която отдавна е известно, че е характерна за района на езерото Байкал.“

Затова изследователите се опитаха да възпроизведат явлението в лабораторията, за да проверят своята хипотеза. Те използваха метални дискове като експериментални аналози на камъни и поставиха дисковете върху повърхността на ледени блокове в търговска сушилна машина. Инструментът замразява материала, след това намалява налягането и добавя топлина, така че замръзналата вода се втвърдява. По -високата отразяваща способност на металните дискове в сравнение с каменните предпазва дисковете от прегряване в камерите на сушилнята.

Извън земята

Алуминиевите и медни дискове произвеждат конфигурации Baikal Zen, въпреки че медта има почти два пъти по -голяма топлопроводимост от алуминия. Авторите заключават, че топлинните свойства на камъка не са критичен фактор в този процес. „Далеч от камъка, скоростта на сублимация е подложена на разсеяна слънчева светлина, докато сянката, която създава в близост, ограничава процеса на сублимация“, пишат авторите. „Ние показваме, че камъкът действа само като навес, чиято сянка възпрепятства сублимацията, като по този начин защитава леда отдолу, създавайки пиедестал.“

Това по -късно беше потвърдено чрез симулации с числено моделиране. Taberlet и Plihon установяват също, че потапянето или потапянето около основата е резултат от далечно инфрачервено излъчване, излъчвано от самия камък (или диск), което повишава общата скорост на сублимация в близост до него.

Той е много различен от процеса, който води до ледени потоци, въпреки сходната форма на двете формации. В случай на ледени потоци, ефектът на навеса е само незначителен фактор в основния механизъм. „Ледниковите потоци се появяват на ледници с ниска надморска височина, когато атмосферните условия причиняват топенето на леда, а не сублимата“, пишат авторите. „Те се образуват в топъл въздух, докато ледът остава при 0 ° C, докато дзен камъните се образуват във въздух, който е по -хладен от леда.“

Разбирането на това как тези образувания се срещат естествено може да ни помогне да научим повече за други неща във Вселената, тъй като сублимацията на лед е породила покаяние на Плутон и е повлияла върху формирането на пейзажи на Марс, Плутон, Церера, луните на Юпитер, спътниците на Сатурн и много други. комети. „Наистина проектът на НАСА Europa Lander има за цел да търси жизненоважни пръстови отпечатъци на покритата с лед луна на Юпитер, чиято повърхностна диференциална сублимация може да застраши стабилността на сондата и това трябва да бъде напълно разбрано“, заключават изследователите.

DOI: PNAS, 2021 г. 10.1073/стр.2109107118 (Относно DOI).