octubre 18, 2021

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I fisici potrebbero aver rotto lo stato delle pietre “zen” in equilibrio su basi di ghiaccio

Ingrandisci / Riproduzione in laboratorio del fenomeno della pietra zen in un essiccatore.

Nicolas Taberlett / Nicolas Plehoun

Visita il Piccolo Mare del Lago Baikal in Russia durante l’inverno e probabilmente vedrai un fenomeno insolito: una roccia piatta in equilibrio su un sottile letto di ghiaccio, simile all’ammasso di pietre zen comuni nei giardini giapponesi. Questo fenomeno è talvolta chiamato formazione Baikal Zen. La spiegazione tipica di come si verificano queste formazioni è che le rocce catturano la luce (e il calore) dal sole e questo scioglie il ghiaccio sottostante in modo che rimanga una base sottile a sostenerle. L’acqua sotto la roccia si rigenera di notte e si pensa che anche il vento possa essere un fattore.

Ora, due fisici francesi pensano di aver risolto il mistero di come si formano queste strutture, secondo un nuovo documento di ricerca pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences – e la loro soluzione non ha nulla a che fare con la conduttività termica della pietra. Invece, attribuiscono la formazione a un fenomeno noto come sublimazione, dove la neve o il ghiaccio evaporano direttamente in vapore senza passare attraverso la fase acquosa. In particolare, l’ombra fornita dalla pietra impedisce i tassi di sublimazione del ghiaccio circostante nelle sue vicinanze, mentre il ghiaccio distante sublima a un ritmo più veloce.

Molte formazioni simili si verificano naturalmente in natura, come copricapo (le strutture alte e avvolgenti che si formano nel corso di milioni di anni all’interno delle rocce sedimentarie), rocce di funghi O pilastri di roccia (la base è stata erosa da forti venti polverosi) e tavole di ghiacciaio (una grande pietra posta in modo precario su una stretta base di ghiaccio). Ma i meccanismi di base con cui si formano possono essere completamente diversi.

Ad esempio, come Abbiamo segnalato l’anno scorsoUn team di matematici applicati della New York University ha studiato le cosiddette “foreste di pietra” comuni in alcune regioni della Cina e del Madagascar. Queste formazioni rocciose appuntite, come la famosa foresta di pietra Nella provincia cinese dello Yunnan, a seguito della dissoluzione di solidi in liquidi in presenza di gravità, con conseguente flusso di convezione naturale.

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In superficie, queste foreste di pietra sembrano in qualche modo simili apenitenti‘: Sono stati trovati pennacchi di neve che si formano nell’aria molto secca in alto nei ghiacciai delle Ande. Charles Darwin descrisse i penitenti nel 1839 durante una spedizione nel marzo 1835 mentre si faceva strada attraverso i nevai coperti di penitenti nel suo viaggio da Santiago, Cile, Nella città argentina di Mendoza, i fisici sono riusciti a per ricrearlo Copie sintetiche di pentiti in vitro. Ma i penitenti e le foreste di pietra sono in realtà molto diversi in termini di meccanismi coinvolti nella loro formazione. Le punte della foresta di pietra sono state scolpite da ruscelli che non svolgono un ruolo importante nella formazione dei penitenti.

alcuni fisici hai un suggerimento che il pentito forma quando La luce del sole vaporizza la neve direttamente in vapore (sublimazione). Si formano piccoli picchi e avvallamenti e la luce solare viene intrappolata all’interno, creando ulteriore calore che incide gli avvallamenti più profondi, e queste superfici curve a loro volta agiscono come una lente, accelerando ulteriormente il processo di sublimazione. Quello suggerimento alternativo Aggiunge un meccanismo aggiuntivo per spiegare la peculiare spaziatura periodica tra i penitenti: una combinazione di diffusione del vapore e trasferimento di calore si traduce in un gradiente di temperatura molto ripido, e quindi un tasso di sublimazione più elevato.

Pietre Zen in natura, nel piccolo mare del Lago Baikal (a, b);  in laboratorio (C);  Nella simulazione numerica (D).  (a) Foto di O. Zima.  (B) Una fotografia scattata da A.  Yanariv.
Ingrandisci / Pietre Zen in natura, nel piccolo mare del Lago Baikal (a, b); in laboratorio (C); Nella simulazione numerica (D). (a) Foto di O. Zima. (B) Una fotografia scattata da A. Yanariv.

Nicolas Taberlett / Nicolas Plehoun

Nel caso delle formazioni di pietre Baikal Zen, il processo sembra simile all’ipotesi della sublimazione dei penitenti, secondo i coautori Nicolas Taberlet e Nicolas Plehon del Centro nazionale per la ricerca scientifica di Lione, in Francia. All’inizio di questo mese, hmm È stato pubblicato uno studio in qualche modo correlato In Physical Review Letters sulla formazione naturale dei flussi glaciali (una roccia sostenuta da una sottile colonna di ghiaccio). Sono stati in grado di produrre piccoli flussi di ghiacciai artificiali in un ambiente controllato e hanno trovato due effetti concorrenti che controllano l’inizio della formazione dei ghiacciai.

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Con i cappucci in pietra più piccoli con una maggiore conduttività termica, l’amplificazione geometrica del flusso di calore fa sì che il cappuccio sprofondi nel ghiaccio. Per una calotta più grande con una minore conduttività termica, una diminuzione del flusso di calore deriva dal fatto che la calotta ha una temperatura più elevata rispetto al ghiaccio circostante, formando una tavola.

In questo ultimo studio, Taberlet e Plihon hanno voluto esplorare i meccanismi alla base della formazione naturale delle strutture del Baikal Zen. “La rarità di questo fenomeno deriva dalla scarsità di strati di ghiaccio spessi, piatti e privi di neve, che richiedono condizioni fredde e secche a lungo termine”, hanno scritto gli autori. “Le registrazioni meteorologiche mostrano che lo scongelamento è quasi impossibile e, invece, le condizioni atmosferiche (vento, temperatura, umidità relativa) favoriscono la sublimazione, che è nota da tempo per essere caratteristica della regione del Lago Baikal”.

Quindi i ricercatori hanno cercato di riprodurre il fenomeno in laboratorio per testare la loro ipotesi. Hanno usato dischi di metallo come analoghi sperimentali delle pietre e hanno posizionato i dischi sulla superficie di blocchi di ghiaccio in un’asciugatrice commerciale. Lo strumento congela il materiale, quindi riduce la pressione e aggiunge calore, quindi l’acqua congelata si indurisce. La maggiore riflettività dei dischi di metallo rispetto alla pietra ha impedito ai dischi di surriscaldarsi nelle camere dell’essiccatore.

Al di fuori della terra

I dischi in alluminio e rame hanno prodotto configurazioni Baikal Zen, sebbene il rame abbia quasi il doppio della conduttività termica dell’alluminio. Gli autori hanno concluso che le proprietà termiche della pietra non erano un fattore critico in questo processo. “Lontano dalla pietra, il tasso di sublimazione è soggetto alla luce solare diffusa, mentre l’ombra che crea nelle sue vicinanze limita il processo di sublimazione”, hanno scritto gli autori. “Mostriamo che la pietra agisce solo come un baldacchino la cui ombra impedisce la sublimazione, proteggendo così il ghiaccio sottostante, creando un piedistallo”.

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Ciò è stato successivamente confermato da simulazioni di modelli numerici. Taberlet e Plihon hanno anche scoperto che il tuffo o il tuffo che circonda la base è il risultato della radiazione infrarossa emessa dalla pietra (o disco) stessa, aumentando il tasso di sublimazione generale nelle sue vicinanze.

È molto diverso dal processo che porta alle correnti di ghiaccio, nonostante la forma simile delle due formazioni. Nel caso dei corsi d’acqua ghiacciati, l’effetto chioma è solo un fattore minore nel meccanismo sottostante. “I flussi glaciali compaiono sui ghiacciai di bassa quota quando le condizioni atmosferiche fanno sciogliere il ghiaccio piuttosto che sublimare”, hanno scritto gli autori. “Si formano nell’aria calda mentre il ghiaccio rimane a 0°C, mentre le pietre zen si formano nell’aria più fredda del ghiaccio”.

Comprendere come queste formazioni si verificano naturalmente può aiutarci a saperne di più su altre cose nell’universo, poiché la sublimazione del ghiaccio ha prodotto pentimenti su Plutone e ha influenzato la formazione di paesaggi su Marte, Plutone, Cerere, le lune di Giove, le lune di Saturno e molti altri. . comete. “In effetti, il progetto Europa Lander della NASA mira a cercare impronte vitali sulla luna ricoperta di ghiaccio di Giove, la cui sublimazione differenziale della superficie potrebbe minacciare la stabilità della sonda, e questo deve essere pienamente compreso”, hanno concluso i ricercatori.

DOI: PNAS, 2021. 10.1073/pnas.2109107118 (Informazioni sui DOI).