Физики, возможно, обнаружили состояние камней дзен, балансирующих на ледяных основаниях.

Посетите Малое море на озере Байкал в России зимой, и вы, вероятно, увидите необычное явление: плоский камень, балансирующий на тонком льду, напоминающий набор камней дзен, обычных в японских садах. Это явление иногда называют формацией байкальского дзен. Типичное объяснение того, как возникают эти образования, заключается в том, что камни улавливают свет (и тепло) от солнца, и это растапливает лед под ними, так что остается тонкое основание для их поддержки. Вода под скалой восстанавливается ночью, и считается, что ветер также может быть фактором.

Согласно новому исследованию, опубликованному в Proceedings of the National Academy of Sciences, два французских физика думают, что они раскрыли тайну того, как формируются эти структуры, и их решение не имеет ничего общего с теплопроводностью камня. Вместо этого они связывают образование с явлением, известным как сублимация, когда снег или лед испаряются прямо в пар, не проходя через водную фазу. В частности, тень, создаваемая камнем, препятствует скорости сублимации окружающего льда в его окрестностях, в то время как далекий лед сублимируется с большей скоростью.

Многие подобные образования встречаются в природе в природе, например, головной убор (высокие обволакивающие структуры, которые в течение миллионов лет образовывались в осадочных породах), грибные камни Или каменные столбы (основание было размыто сильным пыльным ветром) и ледниковые столы (большой камень, опасно сидящий на узкой ледяной подошве). Но основные механизмы, с помощью которых они формируются, могут быть совершенно разными.

Например, как Мы сообщили в прошлом годуГруппа прикладных математиков из Нью-Йоркского университета изучила так называемые «каменные леса», распространенные в некоторых регионах Китая и Мадагаскара. Эти остроконечные скальные образования, такие как знаменитый каменный лес В китайской провинции Юньнань в результате растворения твердых тел в жидкости под действием силы тяжести, что приводит к естественным конвекционным потокам.

На первый взгляд эти каменные леса чем-то похожи накающиеся‘: Снежные шлейфы льда были обнаружены в очень сухом воздухе высоко в ледниках Анд. Чарльз Дарвин описал кающихся в 1839 году во время мартовской экспедиции 1835 года, когда он пробирался через заснеженные поля, покрытые кающимися, по пути из Сантьяго, Чили, В аргентинский город Мендоса физикам удалось воссоздать это Синтетические копии раскаивающихся in vitro. Но кающиеся и каменные леса на самом деле совершенно разные с точки зрения механизмов их образования. Колышки каменного леса высечены ручьями, которые не играют большой роли в образовании кающихся.

некоторые физики у тебя есть предложение что раскаивающийся форма, когда Солнечный свет превращает снег прямо в пар (сублимация). Образуются небольшие пики и впадины, а солнечный свет задерживается внутри, создавая дополнительное тепло, которое травит более глубокие впадины, а эти изогнутые поверхности, в свою очередь, действуют как линзы, еще больше ускоряя процесс сублимации. что альтернативное предложение Он добавляет дополнительный механизм для учета своеобразного периодического промежутка между кающимися людьми: комбинация диффузии пара и теплопередачи приводит к очень крутому градиенту температуры и, следовательно, к более высокой скорости сублимации.

В случае каменных образований байкальского дзен этот процесс похож на гипотезу сублимации кающихся, по мнению соавторов Николя Таберле и Николаса Плеона из Национального центра научных исследований в Лионе, Франция. Ранее в этом месяце, хм Было опубликовано несколько похожее исследование В Physical Review Letters о естественном образовании ледниковых потоков (скала, поддерживаемая тонким столбом льда). Они смогли создать небольшие потоки искусственных ледников в контролируемой среде и обнаружили два конкурирующих эффекта, контролирующих начало образования ледников.

У каменных крышек меньшего размера с более высокой теплопроводностью геометрическое усиление теплового потока приводит к тому, что крышка погружается в лед. Для большей крышки с более низкой теплопроводностью уменьшение теплового потока возникает из-за того, что крышка имеет более высокую температуру, чем окружающий лед, образуя стол.

В этом последнем исследовании Таберлет и Плихон хотели изучить механизмы, лежащие в основе естественного формирования структур байкальского дзен. «Редкость этого явления связана с нехваткой толстых, плоских и бесснежных слоев льда, которые требуют длительных холодных и сухих условий», — пишут авторы. «Записи погоды показывают, что оттаивание практически невозможно, а вместо этого атмосферные условия (ветер, температура, относительная влажность) способствуют сублимации, которая, как давно известно, характерна для региона озера Байкал».

Поэтому исследователи решили попытаться воспроизвести это явление в лаборатории, чтобы проверить свою гипотезу. Они использовали металлические диски в качестве экспериментального аналога камням и поместили диски на поверхность ледяных блоков в коммерческой сушильной машине. Инструмент замораживает материал, затем снижает давление и добавляет тепло, поэтому замороженная вода затвердевает. Более высокая отражательная способность металлических дисков по сравнению с каменными предохраняет диски от перегрева в сушильных камерах.

Вне земли

Алюминиевые и медные диски производили конфигурации Baikal Zen, хотя медь имеет почти вдвое большую теплопроводность, чем алюминий. Авторы пришли к выводу, что термические свойства камня не были решающим фактором в этом процессе. «Вдали от камня скорость сублимации зависит от рассеянного солнечного света, а тень, которую он создает в непосредственной близости от камня, ограничивает процесс сублимации», — пишут авторы. «Мы показываем, что камень действует только как навес, а его тень препятствует сублимации, таким образом защищая лед под ним, создавая пьедестал».

Позднее это было подтверждено численным моделированием. Таберлет и Плихон также обнаружили, что провал вокруг основания является результатом излучения в дальней инфракрасной области, испускаемого самим камнем (или диском), что увеличивает общую скорость сублимации в его окружении.

Это сильно отличается от процесса, который приводит к ледяным потокам, несмотря на схожую форму двух образований. В случае ледяных потоков эффект навеса является лишь второстепенным фактором лежащего в основе механизма. «Ледниковые потоки появляются на низкогорных ледниках, когда атмосферные условия заставляют лед таять, а не сублимироваться», — пишут авторы. «Они образуются в теплом воздухе, в то время как лед остается при 0 ° C, а камни дзен образуются в воздухе, который холоднее льда».

Понимание того, как эти образования происходят естественным образом, может помочь нам узнать больше о других вещах во Вселенной, поскольку сублимация льда вызвала раскаяние на Плутоне и повлияла на формирование ландшафтов на Марсе, Плутоне, Церере, спутниках Юпитера, спутниках Сатурна и многих других. кометы. «Действительно, проект НАСА Europa Lander направлен на поиск жизненно важных отпечатков пальцев на покрытом льдом спутнике Юпитера, дифференциальная сублимация поверхности которого может угрожать стабильности зонда, и это необходимо полностью понять», — заключили исследователи.

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