Los físicos pueden haber resuelto el caso de las piedras “Zen” en equilibrio sobre bases de hielo.

Agrandar / Una reproducción de laboratorio del fenómeno de la piedra Zen en un liofilizador.

Nicolas Taberlet / Nicolas Plihon

Visite el pequeño mar del lago Baikal en Rusia durante el invierno y probablemente verá un fenómeno inusual: una roca plana en equilibrio sobre un delgado pedestal de hielo, similar a una pila de piedras zen comunes en los jardines japoneses. El fenómeno a veces se denomina entrenamiento Baikal Zen. La explicación típica de cómo ocurren estas formaciones es que la roca capta la luz (y el calor) del Sol y esto derrite el hielo debajo hasta que solo queda un pedestal delgado para sostenerlo. El agua debajo de la roca se vuelve a congelar por la noche, y se ha sugerido que el viento también puede ser un factor.

Ahora, dos físicos franceses creen haber resuelto el misterio de cómo se formaron estas estructuras, según un nuevo artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, y su solución no tiene nada que ver con la conducción térmica de la piedra. Más bien, atribuyen la formación a un fenómeno conocido como sublimación, por el cual la nieve o el hielo se evaporan directamente en vapor sin pasar por una fase acuosa. Concretamente, la sombra proyectada por la piedra obstaculiza las tasas de sublimación del hielo circundante en su vecindad, mientras que el hielo más distante se sublima a una tasa más rápida.

Muchas formaciones similares ocurren naturalmente en la naturaleza, como hoodoos (estructuras altas y filiformes que se forman durante millones de años en rocas sedimentarias), rocas en forma de hongo o lecho rocoso (la base ha sido erosionada por fuertes vientos polvorientos) y mesas de glaciar (una gran piedra colocada precariamente sobre una estrecha capa de hielo). Pero los mecanismos subyacentes por los que se forman pueden ser muy diferentes.

Por ejemplo, como informamos el año pasado, un equipo de matemáticos aplicados de la Universidad de Nueva York estudió los “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, son el resultado de la disolución de sólidos en líquidos en presencia de gravedad, lo que produce flujos convectivos naturales.

En la superficie, estos bosques de piedra se parecen mucho a “penitentes“: pilares de hielo cubiertos de nieve que se forman en el aire muy seco que se encuentran en lo alto de los glaciares andinos. Charles Darwin describió a los penitentes en 1839 en una excursión en marzo de 1835 durante la cual se abrió paso a través de campos de nieve cubiertos de penitentes en el camino desde Santiago de Chile. , a la ciudad argentina de Mendoza. recrear versiones artificiales de penitentes en el laboratorio. Pero los penitentes y los bosques de piedra son en realidad bastante diferentes en términos de los mecanismos involucrados en su formación. Las puntas de un bosque de piedras están talladas por corrientes, que no juegan un papel importante en la formación de los penitentes.

Algunos físicos sugirió que los penitentes forma cuando la luz del sol evapora la nieve directamente en vapor (sublimación). Se forman pequeñas crestas y depresiones y la luz solar queda atrapada en ellas, creando un calor adicional que excava depresiones aún más profundas, y estas superficies curvas a su vez actúan como una lente, acelerando aún más el proceso de sublimación. a propuesta alternativa agrega un mecanismo adicional para tener en cuenta el espaciamiento fijo extrañamente periódico de los penitentes: una combinación de difusión de vapor y transporte de calor que produce un gradiente de temperatura pronunciado y, por lo tanto, una mayor tasa de sublimación.

Piedras zen en la naturaleza, en el pequeño mar del lago Baikal (a, b);  en el laboratorio (c);  y en simulaciones numéricas (d).  (a) Fotografía tomada por O. Zima.  (b) Fotografía tomada por A. Yanarev.
Agrandar / Piedras zen en la naturaleza, en el pequeño mar del lago Baikal (a, b); en el laboratorio (c); y en simulaciones numéricas (d). (a) Fotografía tomada por O. Zima. (b) Fotografía tomada por A. Yanarev.

Nicolas Taberlet / Nicolas Plihon

En el caso de las formaciones rocosas de Baikal Zen, el proceso parece similar a la hipótesis de la sublimación para los penitentes, según los coautores Nicolas Taberlet y Nicolas Plihon del CNRS en Lyon, Francia. A principios de este mes, publicó un estudio algo relacionado en Physical Review Letters sobre la formación natural de tablas glaciares (una roca sostenida por una delgada columna de hielo). Pudieron producir mesas de hielo artificial a pequeña escala en un entorno controlado y descubrieron dos efectos en competencia que controlan el inicio de la formación de la mesa de hielo.

Con casquetes de piedra más pequeños con mayor conductividad térmica, la amplificación geométrica del flujo de calor hace que el casquete se hunda en el hielo. Para un casquete más grande con menos conductividad térmica, una reducción en el flujo de calor proviene del hecho de que el casquete tiene una temperatura más alta que el hielo circundante, formando una mesa.

Para este último estudio, Taberlet y Plihon querían explorar los mecanismos subyacentes a la formación natural de las estructuras del Baikal Zen. “La rareza del fenómeno se debe a la escasez de capas de hielo gruesas, planas y sin nieve, que requieren condiciones climáticas frías y secas desde hace mucho tiempo”, escribieron los autores. “Los registros meteorológicos muestran que el derretimiento del hielo es prácticamente imposible y que, en cambio, las condiciones climáticas (viento, temperatura y humedad relativa) favorecen la sublimación, conocida desde hace mucho tiempo como característica de la región del lago Baikal”.

Por lo tanto, los investigadores intentaron reproducir el fenómeno en el laboratorio para probar su hipótesis. Utilizaron discos de metal como análogos de piedra experimentales, colocando los discos en la superficie de bloques de hielo en un liofilizador comercial. El instrumento congela el material, luego reduce la presión y agrega calor, de modo que el agua congelada se sublima. La mayor reflectividad de los discos de metal en comparación con las piedras evitó que los discos se sobrecalentaran en las cámaras del liofilizador.

Extraterrestre

Tanto los discos de aluminio como los de cobre produjeron las formaciones Baikal Zen, aunque el cobre tiene casi el doble de conductividad térmica que el aluminio. Los autores concluyeron que, por lo tanto, las propiedades térmicas de la piedra no fueron un factor crucial en el proceso. “Lejos de la piedra, la velocidad de sublimación se rige por la luz solar difusa, mientras que en sus proximidades la sombra que crea inhibe el proceso de sublimación”, escribieron los autores. “Demostramos que la piedra sólo actúa como un paraguas, cuya sombra interfiere con la sublimación, protegiendo así el hielo de abajo, lo que conduce a la formación del pedestal”.

Esto fue luego confirmado por simulaciones de modelos numéricos. Taberlet y Plihon también descubrieron que el hueco, o depresión, que rodea el pedestal es el resultado de la radiación infrarroja lejana emitida por la piedra (o disco) en sí, lo que mejora la tasa general de sublimación cercana.

Esto es bastante diferente del proceso que conduce a las mesas de hielo, a pesar de la forma similar de las dos formaciones. En el caso de las mesas de hielo, el efecto paraguas es solo un factor secundario en el mecanismo subyacente. “Las tablas glaciares aparecen en los glaciares de menor elevación cuando las condiciones climáticas derriten el hielo en lugar de sublimarlo”, escribieron los autores. “Se forman en el aire caliente mientras que el hielo permanece a 0 grados Celsius, mientras que las piedras Zen se forman en un aire más frío que el hielo”.

Comprender cómo ocurren estas formaciones de forma natural podría ayudarnos a aprender más sobre otros objetos en el universo, ya que la sublimación del hielo produjo penitentes en Plutón e influyó en la formación del paisaje en Marte, Plutón, Ceres, las lunas de Júpiter, las lunas de Saturno. y varios cometas. “De hecho, el proyecto Europa Lander de la NASA tiene como objetivo buscar biofirmas en la luna cubierta de hielo de Júpiter, en cuya superficie la sublimación diferencial puede amenazar la estabilidad del módulo de aterrizaje, y esto debe entenderse completamente”, concluyeron los autores.

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

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