Los físicos pueden haber roto el caso de rocas «gen» equilibradas en témpanos de hielo

En el invierno, diríjase al pequeño mar frente al lago Baikal en Rusia, donde encontrará un fenómeno inusual: una roca plana que se balancea sobre una fina capa de hielo similar al apilamiento de piedras zen común en los jardines japoneses. Este fenómeno a veces se denomina formación de bicarbonato. La explicación más común de cómo ocurren estos patrones es que la roca captura la luz (y el calor) del sol y derrite el hielo hasta que sostiene una meseta delgada. El agua debajo de la roca se congela por la noche y se dice que el viento es un factor.

Ahora, dos físicos franceses creen haber resuelto el misterio de cómo se formaron estas estructuras, según un nuevo artículo publicado en los Procesos de la Academia Nacional de Ciencias, y su solución no tiene nada que ver con la conductividad térmica de la piedra. Por el contrario, la formación se debe a un evento llamado suplementación, a través del cual el hielo o el hielo se evapora directamente sin pasar por el nivel del agua. En particular, la sombra proporcionada por la piedra evita las tasas de sublimación de la nieve circundante en su vecindad, mientras que la nieve brilla a una tasa más rápida.

Muchas de estas formas ocurren naturalmente en la naturaleza. Hoodus (Estructuras espirales altas que se forman sobre rocas sedimentarias durante millones de años), Rocas de hongos O pedestales de roca (la base está erosionada por fuertes vientos polvorientos) y mesas glaciales (una piedra grande se encuentra en una posición peligrosa sobre un pedestal estrecho de hielo). Pero los algoritmos básicos que crean son muy diferentes.

Por ejemplo, como Informamos el año pasado, Un equipo de matemáticos aplicados de la Universidad de Nueva York estudió lo que se conoce como «bosques de piedra» comunes en partes de China y Madagascar. Estas formaciones rocosas afiladas como las famosas Bosque de piedra En la provincia china de Yunnan, los flujos de convección natural se crean como resultado de la disolución de sólidos en líquidos en presencia de fuerza gravitacional.

En la superficie, este bosque de piedras es similar «.Penitencia«La ciudad de Mendoza, Argentina. Recrear Versiones sintéticas de penitentes en el laboratorio. Pero los Benefactores y los bosques de piedra son en realidad completamente diferentes en términos de los mecanismos en los que se crean. Se talla una piedra de las tejas puntiagudas del bosque, que no juegan un papel importante en la formación de los Benedictes.

Algunos físicos Sugirió Que se arrepiente Cuando formar La luz solar evapora directamente el hielo (sublimación). Se forman crestas y hoyos más pequeños, y la luz solar queda atrapada dentro de ellos, creando calor adicional para tallar tanques más profundos, y esas superficies curvas actúan como lentes, acelerando aún más el proceso de sublimación. A Plan alternativo Agrega un mecanismo adicional para calcular el extraño intervalo constante de los colgantes: la combinación de difusión de vapor y transferencia de calor crea un gradiente de temperatura más pronunciado y, por lo tanto, una tasa de sublimación más alta.

En el caso de los sistemas de piedra Bicol Zen, el proceso parece ser similar a la hipótesis de sublimación para Benefactores, dicen los coautores Nicholas Taberlet y Nicholas Plihan del CNRS en Lyon, Francia. A principios de este mes, Publicó un estudio algo relacionado En Physical Review Letters on the Natural Formation of Glacier Tables (una roca sostenida por una delgada columna de hielo). Pudieron crear tablas de glaciares artificiales a pequeña escala en un entorno controlado y encontraron dos efectos en competencia que controlan la formación de tablas de glaciares.

Con pequeños casquetes de piedra con alta conductividad térmica, el casquete se hundirá en el hielo debido al aumento geométrico del flujo de calor. Para un casquete grande con baja conductividad térmica, la reducción del flujo de calor surge porque el casquete tiene una temperatura más alta que el hielo circundante, lo que crea una mesa.

Para este estudio reciente, Taberlet y Plymouth querían explorar los mecanismos detrás de la formación natural de las estructuras Bicol Zen. «La ausencia de eventos es la rareza de las capas de hielo gruesas, planas y sin nieve que requieren un clima frío y seco prolongado», escribieron los autores. «Los registros meteorológicos muestran que el derretimiento del hielo es casi imposible, pero en cambio las condiciones climáticas (aire, temperatura y humedad) son favorables para la sublimación, que desde hace mucho tiempo se sabe que es una característica del lago Baikal».

Entonces, los investigadores intentaron reproducir el evento en el laboratorio para probar su hipótesis. Utilizaron discos de metal como análogos de prueba de piedras, colocando los discos en la superficie de cubitos de hielo en un liofilizador comercial. La herramienta congela el material, luego reduce la presión y agrega calor, dejando alto el agua congelada. La alta reflectividad de los discos de metal en comparación con las piedras hizo que los discos parecieran más cálidos en las cámaras del liofilizador.

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Tanto los discos de aluminio como los de cobre formaron genes bicol, aunque el cobre tenía más del doble de conductividad térmica que el aluminio. Por lo tanto, los autores concluyeron que las propiedades térmicas de la piedra no fueron un factor importante en este proceso. «Lejos de la piedra, la tasa de sublimación se rige por la luz solar difusa, mientras que su sombra inhibe el proceso de sublimación en su formación», escribieron los autores. «Demostramos que la piedra solo actúa como un paraguas, evitando que su sombra se desvanezca, protegiendo así la nieve de abajo, lo que conduce a la formación del pedestal».

Esto se confirmó más tarde mediante simulaciones de modelos numéricos. Taperlet y Blihan descubrieron que el hundimiento, o depresión, alrededor del pedestal era el resultado de la radiación infrarroja emitida por la piedra (o disco), que aumentaba la tasa de sublimación general en su vecindad.

A pesar de la forma similar de los dos sistemas, es muy diferente del proceso que conduce a las tablas de los glaciares. Según la tabla de glaciares, el efecto paraguas es solo un factor secundario en el mecanismo básico. «Las condiciones climáticas se derriten en lugar de hielo cuando aparecen tablas de glaciares en los glaciares de baja altitud», escribieron los autores. «Se forman en el aire caliente, mientras que el hielo está a 0 grados centígrados, mientras que las piedras Zen se forman en el aire más frío que el hielo».

Comprender cómo ocurre esta formación de forma natural nos ayudará a aprender más sobre otros objetos en el universo, ya que el derretimiento del hielo creó penalizaciones en Plutón y afectó la formación de accidentes geográficos en Marte, Plutón, Serus, las lunas de Júpiter, las lunas de Saturno y más. Cometas. “De hecho, el programa Europa Lander de la NASA tiene como objetivo buscar firmas biológicas en la luna cubierta de nieve de Júpiter.

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