Los físicos pueden haber descifrado el estado de las piedras ‘zen’ en equilibrio sobre bases de hielo

Visite el pequeño mar del lago Baikal en Rusia durante el invierno, y es probable que vea un fenómeno inusual: una roca plana en equilibrio sobre un delgado lecho de hielo, que se asemeja al apilamiento de piedras zen común en los jardines japoneses. Este fenómeno a veces se denomina formación Baikal Zen. La explicación típica de cómo ocurren estas formaciones es que las rocas capturan la luz (y el calor) del sol y esto derrite el hielo debajo de modo que queda una base delgada para sostenerlas. El agua debajo de la roca se regenera por la noche y se cree que el viento también puede ser un factor.

Ahora, dos físicos franceses creen haber resuelto el misterio de cómo se forman estas estructuras, según un nuevo artículo de investigación publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, y su solución no tiene nada que ver con la conductividad térmica de la piedra. En cambio, atribuyen la formación a un fenómeno conocido como sublimación, donde la nieve o el hielo se evaporan directamente en vapor sin pasar por la fase acuosa. Específicamente, la sombra proporcionada por la piedra impide las velocidades de sublimación del hielo circundante en su vecindad, mientras que el hielo distante se sublima a una velocidad más rápida.

Muchas formaciones similares ocurren naturalmente en la naturaleza, como sombreros (las estructuras altas y envolventes que se forman durante millones de años dentro de las rocas sedimentarias), rocas en forma de hongo O pilares de roca (la base fue erosionada por vientos fuertes y polvorientos) y mesas de glaciar (una gran piedra colocada precariamente sobre una base estrecha de hielo). Pero los mecanismos básicos por los que se forman pueden ser completamente diferentes.

Por ejemplo, como Informamos el año pasadoUn equipo de matemáticos aplicados de la Universidad de Nueva York ha estudiado los llamados «bosques de piedra» comunes en ciertas regiones de China y Madagascar. Estas formaciones rocosas puntiagudas, como las famosas bosque de piedra En la provincia china de Yunnan, como resultado de la disolución de sólidos en líquidos en presencia de la gravedad, se generan flujos de convección natural.

En la superficie, estos bosques de piedra se parecen un poco apenitentes‘: Se han encontrado columnas de hielo formándose en el aire muy seco en lo alto de los glaciares de los Andes. Charles Darwin describió a los penitentes en 1839 durante una expedición en marzo de 1835 mientras se abría paso a través de campos de nieve cubiertos de penitentes en su camino desde Santiago, Chile, a la ciudad argentina de Mendoza, los físicos lograron para recrearlo Copias sintéticas de arrepentidos in vitro. Pero los penitentes y los bosques de piedra son en realidad bastante diferentes en términos de los mecanismos involucrados en su formación. Las espigas del bosque de piedra fueron talladas por arroyos que no juegan un papel importante en la formación de los penitentes.

algunos físicos tienes una sugerencia que el arrepentido forma cuando La luz solar vaporiza la nieve directamente en vapor (sublimación). Se forman pequeños picos y depresiones, y la luz solar queda atrapada en el interior, creando un calor adicional que graba las depresiones más profundas, y estas superficies curvas a su vez actúan como una lente, acelerando aún más el proceso de sublimación. ese sugerencia alternativa Agrega un mecanismo adicional para tener en cuenta el peculiar espaciamiento periódico entre los penitentes: una combinación de difusión de vapor y transferencia de calor da como resultado un gradiente de temperatura muy pronunciado y, por lo tanto, una tasa de sublimación más alta.

En el caso de las formaciones de piedra de Baikal Zen, el proceso parece similar a la hipótesis de la sublimación de los penitentes, según los coautores Nicolas Taberlet y Nicolas Plehon del Centro Nacional de Investigación Científica en Lyon, Francia. A principios de este mes, hmm Se publicó un estudio algo relacionado En Physical Review Letters sobre la formación natural de corrientes glaciares (una roca sostenida por una delgada columna de hielo). Pudieron producir pequeñas corrientes de glaciares artificiales en un ambiente controlado y encontraron dos efectos en competencia que controlan el inicio de la formación de glaciares.

Con casquetes de piedra más pequeños con mayor conductividad térmica, la amplificación geométrica del flujo de calor hace que el casquete se hunda en hielo. Para un casquete más grande con menor conductividad térmica, una disminución en el flujo de calor surge del hecho de que el casquete tiene una temperatura más alta que el hielo circundante, formando una mesa.

En este último estudio, Taberlet y Plihon querían explorar los mecanismos subyacentes a la formación natural de las estructuras del Baikal Zen. «La rareza de este fenómeno se debe a la escasez de capas de hielo gruesas, planas y sin nieve, que requieren condiciones frías y secas a largo plazo», escribieron los autores. «Los registros meteorológicos muestran que el deshielo es casi imposible y, en cambio, las condiciones atmosféricas (viento, temperatura, humedad relativa) favorecen la sublimación, que se sabe desde hace mucho tiempo que es característica de la región del lago Baikal».

Entonces, los investigadores se propusieron intentar reproducir el fenómeno en el laboratorio para probar su hipótesis. Utilizaron discos de metal como análogos experimentales de piedras y colocaron los discos en la superficie de bloques de hielo en una máquina secadora comercial. La herramienta congela el material, luego reduce la presión y agrega calor, por lo que el agua congelada se endurece. La mayor reflectividad de los discos de metal en comparación con la piedra evitó que los discos se sobrecalentaran en las cámaras de secado.

Fuera de la tierra

Los discos de aluminio y cobre produjeron configuraciones Baikal Zen, aunque el cobre tiene casi el doble de conductividad térmica que el aluminio. Los autores concluyeron que las propiedades térmicas de la piedra no eran un factor crítico en este proceso. «Lejos de la piedra, la tasa de sublimación está sujeta a la luz solar difusa, mientras que la sombra que crea en su vecindad limita el proceso de sublimación», escribieron los autores. «Demostramos que la piedra actúa sólo como un dosel cuya sombra impide la sublimación, protegiendo así el hielo debajo, creando un pedestal».

Esto se confirmó más tarde mediante simulaciones de modelos numéricos. Taberlet y Plihon también encontraron que la inmersión o inmersión que rodea la base es el resultado de la radiación infrarroja lejana emitida por la piedra (o disco) en sí, lo que mejora la tasa de sublimación general en su vecindad.

Es muy diferente del proceso que conduce a las corrientes de hielo, a pesar de la forma similar de las dos formaciones. En el caso de corrientes heladas, el efecto de dosel es solo un factor menor en el mecanismo subyacente. «Las corrientes de los glaciares aparecen en los glaciares de baja altitud cuando las condiciones atmosféricas hacen que el hielo se derrita en lugar de sublimarse», escribieron los autores. «Se forman en el aire caliente mientras que el hielo permanece a 0 ° C, mientras que las piedras zen se forman en un aire más frío que el hielo».

Comprender cómo ocurren estas formaciones de forma natural puede ayudarnos a aprender más sobre otras cosas en el universo, ya que la sublimación del hielo ha producido arrepentimientos en Plutón e influido en la formación de paisajes en Marte, Plutón, Ceres, las lunas de Júpiter, las lunas de Saturno y muchos más. cometas. «De hecho, el proyecto Europa Lander de la NASA tiene como objetivo buscar huellas dactilares vitales en la luna cubierta de hielo de Júpiter, cuya sublimación diferencial de superficie puede amenazar la estabilidad de la sonda, y esto debe entenderse completamente», concluyeron los investigadores.

DOI: PNAS, 2021. 10.1073 / pnas.2109107118 (Acerca de los DOI).