Οι φυσικοί μπορεί να έχουν σπάσει την κατάσταση των λίθων «ζεν» που έχουν ισορροπηθεί σε βάσεις πάγου

Ανίπταμαι διαγωνίως / Εργαστηριακή αναπαραγωγή του φαινομένου ζεν πέτρας σε ξηραντήρα.

Nicolas Taberlett / Nicolas Plehoun

Επισκεφθείτε τη Μικρή Θάλασσα της λίμνης Βαϊκάλης στη Ρωσία κατά τη διάρκεια του χειμώνα και πιθανότατα θα δείτε ένα ασυνήθιστο φαινόμενο: ένας επίπεδος βράχος ισορροπημένος σε ένα λεπτό στρώμα πάγου, που μοιάζει με στοίβα από πέτρες ζεν που είναι συνηθισμένοι στους ιαπωνικούς κήπους. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται μερικές φορές σχηματισμός Ζεν Βαϊκάλης. Η τυπική εξήγηση για το πώς συμβαίνουν αυτοί οι σχηματισμοί είναι ότι οι βράχοι αιχμαλωτίζουν φως (και θερμότητα) από τον ήλιο και αυτό λιώνει τον πάγο από κάτω, έτσι ώστε να παραμένει μια λεπτή βάση για να τους στηρίξει. Το νερό κάτω από τον βράχο αναγεννάται τη νύχτα και πιστεύεται ότι ο άνεμος μπορεί επίσης να είναι ένας παράγοντας.

Τώρα, δύο Γάλλοι φυσικοί πιστεύουν ότι έχουν λύσει το μυστήριο για το πώς σχηματίζονται αυτές οι δομές, σύμφωνα με μια νέα ερευνητική εργασία που δημοσιεύτηκε στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών – και η λύση τους δεν έχει καμία σχέση με τη θερμική αγωγιμότητα της πέτρας. Αντίθετα, αποδίδουν τον σχηματισμό σε ένα φαινόμενο γνωστό ως εξάχνωση, όπου το χιόνι ή ο πάγος εξατμίζονται απευθείας στους ατμούς χωρίς να περάσουν από τη φάση του νερού. Συγκεκριμένα, η σκιά που παρέχει η πέτρα εμποδίζει τους ρυθμούς εξάχνωσης του περιβάλλοντος πάγου στην περιοχή του, ενώ ο μακρινός πάγος εξαχνώνεται με ταχύτερο ρυθμό.

Πολλοί παρόμοιοι σχηματισμοί εμφανίζονται φυσικά στη φύση, όπως π.χ. καλύμματα κεφαλής (οι ψηλές, τυλιγμένες δομές που σχηματίζονται για εκατομμύρια χρόνια μέσα σε ιζηματογενή πετρώματα), βράχια μανιταριών Or βραχώδεις κολόνες (η βάση διαβρώθηκε από ισχυρούς, σκονισμένους ανέμους) και τραπέζια παγετώνων (μια μεγάλη πέτρα που κάθεται επισφαλώς πάνω σε μια στενή βάση πάγου). Αλλά οι βασικοί μηχανισμοί με τους οποίους σχηματίζονται μπορεί να είναι τελείως διαφορετικοί.

Για παράδειγμα, όπως Αναφέραμε πέρυσιΜια ομάδα εφαρμοσμένων μαθηματικών από το Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης μελέτησε τα λεγόμενα «πέτρινα δάση» που είναι κοινά σε ορισμένες περιοχές της Κίνας και της Μαδαγασκάρης. Αυτοί οι μυτεροί βραχώδεις σχηματισμοί, όπως ο διάσημος πέτρινο δάσος Στην επαρχία Γιουνάν της Κίνας, ως αποτέλεσμα της διάλυσης στερεών σε υγρά παρουσία βαρύτητας, με αποτέλεσμα φυσικές ροές μεταφοράς.

READ  Η επερχόμενη πτήση του ελικοπτέρου Mars της NASA εγκυμονεί σοβαρούς κινδύνους

Στην επιφάνεια, αυτά τα πέτρινα δάση μοιάζουν κάπως μεμετανοούντες«: Στεγνώσεις χιονιού που βρέθηκαν να σχηματίζονται στον πολύ ξηρό αέρα ψηλά στους παγετώνες των Άνδεων. Ο Κάρολος Δαρβίνος περιέγραψε τους μετανοούντες το 1839 κατά τη διάρκεια μιας αποστολής τον Μάρτιο του 1835 καθώς έφευγε από χιονοπέδια καλυμμένα με μετανοούντες. Σαντιάγο, Χιλή, Στην πόλη της Μεντόζα της Αργεντινής, οι φυσικοί κατάφεραν να το αναδημιουργήσετε Συνθετικά αντίγραφα μετανοούντων in vitro. Αλλά οι μετανοούντες και τα πέτρινα δάση είναι στην πραγματικότητα αρκετά διαφορετικά όσον αφορά τους μηχανισμούς που εμπλέκονται στον σχηματισμό τους. Οι αιχμές του πέτρινου δάσους ήταν λαξευμένες από ρέματα που δεν παίζουν μεγάλο ρόλο στο σχηματισμό των μετανοούντων.

μερικοί φυσικοί έχεις μια πρόταση ότι ο μετανοημένος μορφή όταν Το ηλιακό φως εξατμίζει το χιόνι απευθείας σε ατμούς (εξάχνωση). Μικρές κορυφές και γούρνες σχηματίζονται και το ηλιακό φως παγιδεύεται μέσα, δημιουργώντας πρόσθετη θερμότητα που χαράζει βαθύτερες γούρνες και αυτές οι καμπύλες επιφάνειες με τη σειρά τους λειτουργούν ως φακοί, επιταχύνοντας ακόμη περισσότερο τη διαδικασία εξάχνωσης. ότι εναλλακτική πρόταση Προσθέτει έναν πρόσθετο μηχανισμό για να εξηγήσει την περίεργη περιοδική απόσταση μεταξύ των μετανοούντων: ένας συνδυασμός διάχυσης ατμού και μεταφοράς θερμότητας που παράγει μια πιο απότομη κλίση θερμοκρασίας και συνεπώς υψηλότερο ρυθμό εξάχνωσης.

Πέτρες Ζεν στη φύση, στη μικρή θάλασσα της λίμνης Βαϊκάλης (α, β).  στο εργαστήριο (C)?  Στην αριθμητική προσομοίωση (Δ).  (α) Φωτογραφία από τον Ο. Ζήμα.  (β) Φωτογραφία τραβηγμένη από τον Α.  Γιαναρίβ.
Ανίπταμαι διαγωνίως / Πέτρες Ζεν στη φύση, στη μικρή θάλασσα της λίμνης Βαϊκάλης (α, β). στο εργαστήριο (C)? Στην αριθμητική προσομοίωση (Δ). (α) Φωτογραφία από τον Ο. Ζήμα. (β) Φωτογραφία τραβηγμένη από τον Α. Γιαναρίβ.

Nicolas Taberlett / Nicolas Plehoun

Στην περίπτωση των λίθινων σχηματισμών του Baikal Zen, η διαδικασία φαίνεται παρόμοια με την υπόθεση εξάχνωσης των μετανοούντων, σύμφωνα με τους συν-συγγραφείς Nicolas Taberlet και Nicolas Plehon από το Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας στη Λυών της Γαλλίας. Νωρίτερα αυτό το μήνα, χμμ Δημοσιεύθηκε μια κάπως σχετική μελέτη Στο Physical Review Letters σχετικά με τον φυσικό σχηματισμό ρευμάτων παγετώνων (ένας βράχος που υποστηρίζεται από μια λεπτή στήλη πάγου). Ταν σε θέση να παράγουν μικρά ρεύματα τεχνητών παγετώνων σε ελεγχόμενο περιβάλλον και βρήκαν δύο ανταγωνιστικά αποτελέσματα που ελέγχουν την εμφάνιση του σχηματισμού παγετώνων.

READ  Οι εξωπλανήτες είναι καυτοί, περίεργοι και νεκροί. Κανένας επιστήμονας δεν το είπε αυτό γιατί αποκαλύπτουν έναν υπέροχο κόσμο με τον Joe

Με μικρότερα πέτρινα καλύμματα με υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα, η γεωμετρική ενίσχυση της ροής θερμότητας προκαλεί το καπάκι να βυθιστεί στον πάγο. Για ένα μεγαλύτερο καπάκι με χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα, μια μείωση της ροής θερμότητας προκύπτει από το γεγονός ότι το καπάκι έχει υψηλότερη θερμοκρασία από τον περιβάλλοντα πάγο, σχηματίζοντας ένα τραπέζι.

Σε αυτήν την τελευταία μελέτη, οι Taberlet και Plihon ήθελαν να διερευνήσουν τους μηχανισμούς που βρίσκονται κάτω από τον φυσικό σχηματισμό των δομών του Baikal Zen. “Η σπανιότητα αυτού του φαινομένου προέρχεται από την έλλειψη παχιών, επίπεδων και χωρίς χιόνι στρώσεων πάγου, οι οποίες απαιτούν μακροχρόνιες κρύες και ξηρές συνθήκες”, έγραψαν οι συγγραφείς. “Τα μετεωρολογικά αρχεία δείχνουν ότι η απόψυξη είναι σχεδόν αδύνατη και, αντίθετα, οι ατμοσφαιρικές συνθήκες (άνεμος, θερμοκρασία, σχετική υγρασία) ευνοούν την εξάχνωση, η οποία είναι γνωστό από καιρό ότι είναι χαρακτηριστική της περιοχής της λίμνης Βαϊκάλης.”

Έτσι, οι ερευνητές προσπάθησαν να αναπαράγουν το φαινόμενο στο εργαστήριο για να δοκιμάσουν την υπόθεσή τους. Χρησιμοποίησαν μεταλλικούς δίσκους ως πειραματικά ανάλογα των λίθων και τοποθέτησαν τους δίσκους στην επιφάνεια των μπλοκ πάγου σε μια εμπορική μηχανή ξήρανσης. Το εργαλείο παγώνει το υλικό, στη συνέχεια μειώνει την πίεση και προσθέτει θερμότητα, έτσι το παγωμένο νερό σκληραίνει. Η υψηλότερη ανακλαστικότητα των μεταλλικών δίσκων σε σύγκριση με την πέτρα κρατούσε τους δίσκους από την υπερθέρμανση στους θαλάμους του στεγνωτηρίου.

Έξω από τη γη

Οι δίσκοι αλουμινίου και χαλκού παρήγαγαν διαμορφώσεις Baikal Zen, αν και ο χαλκός έχει σχεδόν διπλάσια θερμική αγωγιμότητα από το αλουμίνιο. Οι συγγραφείς κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι θερμικές ιδιότητες της πέτρας δεν ήταν κρίσιμος παράγοντας σε αυτή τη διαδικασία. “Μακριά από την πέτρα, ο ρυθμός εξάχνωσης υπόκειται σε διάχυτο ηλιακό φως, ενώ η σκιά που δημιουργεί στην περιοχή του περιορίζει τη διαδικασία εξάχνωσης”, έγραψαν οι συγγραφείς. «Δείχνουμε ότι η πέτρα λειτουργεί μόνο ως ένα θόλο του οποίου η σκιά εμποδίζει την εξάχνωση, προστατεύοντας έτσι τον πάγο από κάτω, δημιουργώντας ένα βάθρο».

READ  Ο Χαμπλ συνεχίζει τις επιστημονικές του παρατηρήσεις μετά από ένα σφάλμα λογισμικού - spaceflight τώρα

Αυτό επιβεβαιώθηκε αργότερα με προσομοιώσεις αριθμητικής μοντελοποίησης. Οι Taberlet και Plihon διαπίστωσαν επίσης ότι η εμβάπτιση ή η εμβάπτιση γύρω από τη βάση προκαλείται από ακτινοβολία υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπει η ίδια η πέτρα (ή ο δίσκος), αυξάνοντας το συνολικό ρυθμό εξάχνωσης στο περιβάλλον της.

Είναι πολύ διαφορετικό από τη διαδικασία που οδηγεί σε ρεύματα πάγου, παρά το παρόμοιο σχήμα των δύο σχηματισμών. Στην περίπτωση των παγωμένων ρευμάτων, το φαινόμενο του θόλου δεν είναι παρά ένας δευτερεύων παράγοντας στον υποκείμενο μηχανισμό. “Τα ρεύματα παγετώνων εμφανίζονται σε παγετώνες χαμηλού υψομέτρου όταν οι ατμοσφαιρικές συνθήκες προκαλούν τη λιώση του πάγου και όχι τον εξαχνισμό”, έγραψαν οι συγγραφείς. «Σχηματίζονται σε ζεστό αέρα ενώ ο πάγος παραμένει στους 0 ° C, ενώ οι πέτρες ζεν σχηματίζονται στον αέρα που είναι πιο ψυχρός από τον πάγο».

Η κατανόηση του πώς αυτοί οι σχηματισμοί συμβαίνουν φυσικά μπορεί να μας βοηθήσει να μάθουμε περισσότερα για άλλα πράγματα στο σύμπαν, καθώς η εξάχνωση του πάγου έχει προκαλέσει μετάνοιες στον Πλούτωνα και έχει επηρεάσει τον σχηματισμό τοπίων στον Άρη, τον Πλούτωνα, τη Σερά, τα φεγγάρια του Δία, τα φεγγάρια του Κρόνου και πολλά άλλα. κομήτες. «Πράγματι, το έργο Europa Lander της NASA στοχεύει στην αναζήτηση ζωτικών δακτυλικών αποτυπωμάτων στο παγωμένο φεγγάρι του Δία, του οποίου η διαφορική εξάχνωση της επιφάνειας μπορεί να απειλήσει τη σταθερότητα του καθετήρα και αυτό πρέπει να γίνει πλήρως κατανοητό», κατέληξαν οι ερευνητές.

DOI: PNAS, 2021. 10.1073/pnas.2109107118 (Σχετικά με τα DOI).

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *