Fizycy mogli złamać stan kamieni „zen” wyważonych na podstawach lodowych

Odwiedź Małe Morze Bajkału w Rosji zimą, a prawdopodobnie zobaczysz niezwykłe zjawisko: płaską skałę balansującą na cienkim lodzie, przypominającą układanie kamieni zen powszechnych w japońskich ogrodach. Zjawisko to jest czasami nazywane formacją Bajkał Zen. Typowym wyjaśnieniem, w jaki sposób powstają te formacje, jest to, że skały przechwytują światło (i ciepło) ze słońca, co topi lód pod spodem, dzięki czemu pozostaje cienka podstawa, która je wspiera. Woda pod skałą regeneruje się w nocy i uważa się, że czynnikiem może być również wiatr.

Teraz, według nowego artykułu badawczego opublikowanego w Proceedings of the National Academy of Sciences, dwóch francuskich fizyków uważa, że ​​rozwiązali zagadkę powstawania tych struktur – a ich rozwiązanie nie ma nic wspólnego z przewodnością cieplną kamienia. Zamiast tego przypisują formację zjawisku zwanemu sublimacją, w którym śnieg lub lód odparowują bezpośrednio w parę bez przechodzenia przez fazę wodną. W szczególności cień zapewniany przez kamień utrudnia sublimację otaczającego lodu w jego sąsiedztwie, podczas gdy odległy lód sublimuje szybciej.

Wiele podobnych formacji występuje naturalnie w przyrodzie, m.in nakrycia głowy (wysokie, otaczające struktury, które przez miliony lat tworzą się w skałach osadowych), skały grzybowe Albo filary skalne (podstawa została zniszczona przez silne, zakurzone wiatry) i stoły lodowcowe (duży kamień spoczywający niepewnie na szczycie wąskiej podstawy lodu). Ale podstawowe mechanizmy, dzięki którym powstają, mogą być zupełnie inne.

Na przykład jak Zgłosiliśmy w zeszłym rokuZespół matematyków stosowanych z Uniwersytetu Nowojorskiego badał tak zwane „lasy kamienne” powszechne w niektórych regionach Chin i Madagaskaru. Te spiczaste formacje skalne, takie jak słynna kamienny las W chińskiej prowincji Yunnan w wyniku grawitacyjnego rozpuszczania ciał stałych w ciecze, co skutkuje naturalnymi przepływami konwekcyjnymi.

Na powierzchni te kamienne lasy wyglądają nieco podobnie dopokutnicy’: Śnieżne pióropusze lodu zostały znalezione tworzące się w bardzo suchym powietrzu wysoko w lodowcach Andów. Karol Darwin opisał pokutników w 1839 podczas ekspedycji w marcu 1835, gdy przedzierał się przez pola śnieżne pokryte pokutnikami w drodze z Santiago, Chile, Do argentyńskiego miasta Mendoza fizycy zdołali by to odtworzyć Syntetyczne kopie skruszonych in vitro. Ale pokutnicy i lasy kamienne różnią się w rzeczywistości mechanizmami związanymi z ich powstawaniem. Kolce kamiennego lasu zostały wyrzeźbione przez strumienie, które nie odgrywają dużej roli w formowaniu pokutników.

niektórzy fizycy masz sugestię że skruszony formularz kiedy Światło słoneczne waporyzuje śnieg bezpośrednio w parę (sublimacja). Tworzą się małe szczyty i doliny, a światło słoneczne jest uwięzione wewnątrz, tworząc dodatkowe ciepło, które wytrawia głębsze doliny, a te zakrzywione powierzchnie z kolei działają jak soczewka, jeszcze bardziej przyspieszając proces sublimacji. że alternatywna sugestia Dodaje dodatkowy mechanizm uwzględniający szczególne odstępy okresowe między penitentami: połączenie dyfuzji pary i wymiany ciepła skutkuje bardzo stromym gradientem temperatury, a tym samym wyższą szybkością sublimacji.

Według współautorów Nicolasa Taberleta i Nicolasa Plehona z Narodowego Centrum Badań Naukowych w Lyonie we Francji, w przypadku formacji skalnych Bajkał Zen proces wydaje się podobny do hipotezy sublimacji pokutników. Wcześniej w tym miesiącu, hmm Opublikowano nieco pokrewne badanie W Physical Review Letters o naturalnym formowaniu się strumieni lodowcowych (skały podtrzymywanej przez cienką kolumnę lodu). Byli w stanie wytworzyć małe strumienie sztucznych lodowców w kontrolowanym środowisku i odkryli dwa konkurujące ze sobą efekty kontrolujące początek formowania się lodowców.

W przypadku mniejszych kamiennych nasadek o wyższej przewodności cieplnej geometryczne wzmocnienie przepływu ciepła powoduje, że nasadka tonie w lodzie. W przypadku większej nasadki o mniejszej przewodności cieplnej, spadek przepływu ciepła wynika z faktu, że nasadka ma wyższą temperaturę niż otaczający ją lód, tworząc stół.

W ramach ostatnich badań Taberlet i Plihon chcieli zbadać mechanizmy leżące u podstaw naturalnego formowania się bajkalskich struktur Zen. „Rzadkość tego zjawiska wynika z niedostatku grubych, płaskich i pozbawionych śniegu warstw lodu, które wymagają długotrwałych zimnych i suchych warunków” – napisali autorzy. „Zapisy pogodowe pokazują, że rozmrażanie jest prawie niemożliwe, a zamiast tego warunki atmosferyczne (wiatr, temperatura, wilgotność względna) sprzyjają sublimacji, która od dawna jest charakterystyczna dla regionu jeziora Bajkał”.

Dlatego naukowcy postanowili spróbować odtworzyć to zjawisko w laboratorium, aby przetestować swoją hipotezę. Wykorzystali metalowe dyski jako eksperymentalne odpowiedniki kamieni i umieścili je na powierzchni bloków lodu w komercyjnej suszarce. Narzędzie zamraża materiał, a następnie zmniejsza ciśnienie i dodaje ciepło, dzięki czemu zamarznięta woda twardnieje. Wyższy współczynnik odbicia dysków metalowych w porównaniu z kamiennymi zapobiegał przegrzewaniu się dysków w komorach suszarni.

Poza ziemią

Dyski aluminiowe i miedziane wytwarzały konfiguracje Baikal Zen, chociaż miedź ma prawie dwukrotnie wyższą przewodność cieplną niż aluminium. Autorzy doszli do wniosku, że właściwości termiczne kamienia nie były czynnikiem krytycznym w tym procesie. „Z dala od kamienia tempo sublimacji podlega działaniu rozproszonego światła słonecznego, a cień, który tworzy w jego sąsiedztwie, ogranicza proces sublimacji” – napisali autorzy. „Pokazujemy, że kamień działa tylko jako baldachim, którego cień utrudnia sublimację, chroniąc w ten sposób lód pod spodem, tworząc piedestał”.

Zostało to później potwierdzone przez symulacje modelowania numerycznego. Taberlet i Plihon odkryli również, że zagłębienie lub zagłębienie wokół podstawy jest wynikiem promieniowania dalekiej podczerwieni emitowanego przez sam kamień (lub dysk), zwiększając ogólną szybkość sublimacji w jego sąsiedztwie.

Różni się bardzo od procesu, który prowadzi do strumieni lodowych, pomimo podobnego kształtu obu formacji. W przypadku lodowych strumieni, efekt czaszy jest tylko niewielkim czynnikiem w mechanizmie leżącym u ich podłoża. „Strumienie lodowcowe pojawiają się na lodowcach na niskich wysokościach, gdy warunki atmosferyczne powodują topnienie lodu, a nie sublimację” – napisali autorzy. „Powstają w ciepłym powietrzu, podczas gdy lód utrzymuje się w temperaturze 0°C, podczas gdy kamienie zen tworzą się w powietrzu chłodniejszym niż lód”.

Zrozumienie, w jaki sposób te formacje występują naturalnie, może pomóc nam dowiedzieć się więcej o innych rzeczach we wszechświecie, ponieważ sublimacja lodu spowodowała pokutę na Plutonie i wpłynęła na tworzenie krajobrazów na Marsie, Plutonie, Ceres, księżycach Jowisza, księżycach Saturna i wielu innych. komety. „Rzeczywiście, projekt NASA Europa Lander ma na celu poszukiwanie istotnych odcisków palców na pokrytym lodem księżycu Jowisza, którego sublimacja różnicowa powierzchni może zagrozić stabilności sondy, co należy w pełni zrozumieć” – podsumowują naukowcy.

DOI: PNAS, 2021. 10.1073/pnas.2109107118 (O DOI).