Physiker haben möglicherweise den Zustand von ‚Zen‘-Steinen geknackt, die auf Eisbasen balanciert sind

Wenn Sie im Winter das Kleine Meer des Baikalsees in Russland besuchen, werden Sie wahrscheinlich ein ungewöhnliches Phänomen sehen: einen flachen Felsen, der auf einem dünnen Eisbett balanciert ist und den in japanischen Gärten üblichen Zen-Steinen ähnelt. Dieses Phänomen wird manchmal als Baikal-Zen-Bildung bezeichnet. Die typische Erklärung dafür, wie diese Formationen entstehen, ist, dass die Felsen Licht (und Wärme) von der Sonne einfangen und dadurch das darunterliegende Eis schmilzt, sodass eine dünne Basis übrig bleibt, um sie zu stützen. Das Wasser unter dem Felsen regeneriert sich nachts, und es wird vermutet, dass auch Wind eine Rolle spielen kann.

Nun glauben zwei französische Physiker, das Rätsel um die Entstehung dieser Strukturen gelöst zu haben, so ein neues Forschungspapier, das in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde – und ihre Lösung hat nichts mit der Wärmeleitfähigkeit des Steins zu tun. Stattdessen führen sie die Bildung auf ein Phänomen zurück, das als Sublimation bekannt ist, bei dem Schnee oder Eis direkt zu Dampf verdampft, ohne die Wasserphase zu passieren. Insbesondere behindert der vom Stein erzeugte Schatten die Sublimationsraten des umgebenden Eises in seiner Umgebung, während das entfernte Eis schneller sublimiert.

Viele ähnliche Formationen kommen natürlich in der Natur vor, wie z Kopfbedeckungen (die hohen, umhüllenden Strukturen, die sich über Millionen von Jahren in Sedimentgesteinen bilden), Pilzfelsen Oder Felssäulen (die Basis wurde durch starke, staubige Winde erodiert) und Gletschertische (ein großer Stein, der prekär auf einem schmalen Eisfuß sitzt). Die grundlegenden Mechanismen, nach denen sie gebildet werden, können jedoch völlig unterschiedlich sein.

Zum Beispiel wie Wir haben letztes Jahr berichtetEin Team angewandter Mathematiker der New York University hat die in bestimmten Regionen Chinas und Madagaskars verbreiteten sogenannten „Steinwälder“ untersucht. Diese spitzen Felsformationen, wie der berühmte Steinwald In der chinesischen Provinz Yunnan durch das Auflösen von Feststoffen in Flüssigkeiten in Gegenwart der Schwerkraft, was zu natürlichen Konvektionsströmen führt.

An der Oberfläche sehen diese Steinwälder etwas ähnlich aus wieBüßer„: In der sehr trockenen Luft hoch oben in den Andengletschern wurden Schneewolken aus Eis gefunden. Charles Darwin beschrieb 1839 während einer Expedition im März 1835 Büßer, als er sich auf seinem Weg durch mit Büßern bedeckte Schneefelder bahnte Santiago, Chile, In die argentinische Stadt Mendoza gelang es Physikern, um es neu zu erstellen Synthetische Kopien von Reumütigen in vitro. Aber Büßer und Steinwälder unterscheiden sich in Bezug auf die Mechanismen ihrer Entstehung. Die Zacken des Steinwaldes wurden von Bächen geschnitzt, die bei der Bildung von Büßern keine große Rolle spielen.

einige Physiker du hast einen vorschlag dass die reuigen bilden, wenn Sonnenlicht verdampft Schnee direkt in Dampf (Sublimation). Es bilden sich kleine Spitzen und Mulden, und das Sonnenlicht wird im Inneren eingeschlossen, wodurch zusätzliche Wärme entsteht, die tiefere Mulden ätzt, und diese gekrümmten Oberflächen wirken wiederum wie eine Linse, die den Sublimationsprozess weiter beschleunigt. das Alternativvorschlag Es fügt einen zusätzlichen Mechanismus hinzu, um den eigentümlichen periodischen Abstand zwischen den Büßern zu berücksichtigen: Eine Kombination aus Dampfdiffusion und Wärmeübertragung führt zu einem sehr steilen Temperaturgradienten und damit zu einer höheren Sublimationsrate.

Im Fall von Baikal-Zen-Steinformationen scheint der Prozess der Sublimationshypothese von Büßern ähnlich zu sein, so die Co-Autoren Nicolas Taberlet und Nicolas Plehon vom Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung in Lyon, Frankreich. Anfang dieses Monats, hmm Eine etwas verwandte Studie wurde veröffentlicht In Physical Review Letters über die natürliche Entstehung von Gletscherbächen (ein Gestein, das von einer dünnen Eissäule getragen wird). Sie waren in der Lage, kleine Ströme künstlicher Gletscher in einer kontrollierten Umgebung zu erzeugen und fanden zwei konkurrierende Effekte, die den Beginn der Gletscherbildung kontrollieren.

Bei kleineren Steinkappen mit höherer Wärmeleitfähigkeit führt eine geometrische Verstärkung des Wärmeflusses dazu, dass die Kappe im Eis einsinkt. Bei einer größeren Kappe mit geringerer Wärmeleitfähigkeit ergibt sich eine Abnahme des Wärmeflusses dadurch, dass die Kappe eine höhere Temperatur als das umgebende Eis hat und einen Tisch bildet.

In dieser neuesten Studie wollten Taberlet und Plihon die Mechanismen erforschen, die der natürlichen Bildung von Baikal-Zen-Strukturen zugrunde liegen. „Die Seltenheit dieses Phänomens rührt von der Knappheit dicker, flacher und schneefreier Eisschichten her, die langfristig kalte und trockene Bedingungen erfordern“, schreiben die Autoren. „Wetteraufzeichnungen zeigen, dass Auftauen fast unmöglich ist und stattdessen die atmosphärischen Bedingungen (Wind, Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit) die Sublimation begünstigen, die seit langem als charakteristisch für die Baikalseeregion bekannt ist.“

Also machten sich die Forscher daran, das Phänomen im Labor zu reproduzieren, um ihre Hypothese zu überprüfen. Sie verwendeten Metallscheiben als experimentelle Analoga von Steinen und platzierten die Scheiben auf der Oberfläche von Eisblöcken in einer kommerziellen Trocknungsmaschine. Das Werkzeug friert das Material ein, reduziert dann den Druck und fügt Wärme hinzu, sodass das gefrorene Wasser aushärtet. Das höhere Reflexionsvermögen von Metallscheiben im Vergleich zu Stein verhinderte eine Überhitzung der Scheiben in den Trockenkammern.

Außerhalb der Erde

Aluminium- und Kupferscheiben erzeugten Baikal-Zen-Konfigurationen, obwohl Kupfer fast die doppelte Wärmeleitfähigkeit von Aluminium hat. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass die thermischen Eigenschaften des Steins bei diesem Prozess kein kritischer Faktor waren. „Außerhalb des Steins unterliegt die Sublimationsrate dem diffusen Sonnenlicht, während der Schatten, den er in seiner Umgebung erzeugt, den Sublimationsprozess einschränkt“, schreiben die Autoren. „Wir zeigen, dass der Stein nur als Baldachin fungiert, dessen Schatten die Sublimation verhindert und so das darunterliegende Eis schützt und einen Sockel bildet.“

Dies wurde später durch numerische Modellsimulationen bestätigt. Taberlet und Plihon fanden auch heraus, dass die Senke oder Senke, die die Basis umgibt, das Ergebnis von Ferninfrarotstrahlung ist, die vom Stein (oder der Scheibe) selbst emittiert wird, was die Gesamtsublimationsrate in seiner Umgebung erhöht.

Es unterscheidet sich stark von dem Prozess, der zu Eisströmen führt, trotz der ähnlichen Form der beiden Formationen. Bei vereisten Bächen spielt der Canopy-Effekt nur eine untergeordnete Rolle im zugrunde liegenden Mechanismus. „Gletscherströme treten auf Gletschern in niedriger Höhe auf, wenn atmosphärische Bedingungen das Eis eher zum Schmelzen als zum Sublimieren bringen“, schreiben die Autoren. „Sie bilden sich in warmer Luft, während Eis bei 0 ° C bleibt, während sich Zen-Steine ​​in Luft bilden, die kühler als Eis ist.“

Zu verstehen, wie diese Formationen auf natürliche Weise auftreten, kann uns helfen, mehr über andere Dinge im Universum zu erfahren, da die Eissublimation Reue auf Pluto erzeugt und die Bildung von Landschaften auf Mars, Pluto, Ceres, Jupitermonden, Saturnmonden und vielen mehr beeinflusst hat. . Kometen. „Tatsächlich zielt das Europa-Lander-Projekt der NASA darauf ab, nach lebenswichtigen Fingerabdrücken auf dem eisbedeckten Mond des Jupiter zu suchen, dessen differenzielle Oberflächensublimation die Stabilität der Sonde gefährden könnte, und dies muss vollständig verstanden werden“, schlossen die Forscher.

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