Los físicos pueden haber resuelto el caso de las piedras “Zen” en equilibrio sobre pedestales 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 apilar piedras zen comunes en los jardines japoneses. El fenómeno a veces se denomina formación 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 forman 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. Específicamente, la sombra proporcionada por la piedra dificulta las tasas de sublimación del hielo circundante en su vecindad, mientras que el hielo más alejado se sublima a una tasa más rápida.

Muchas formaciones similares ocurren naturalmente en la naturaleza, como hoodoos (estructuras altas y delgadas que se forman durante millones de años dentro de la roca sedimentaria), rocas en forma de hongo o pedestales de roca (la base ha sido erosionada por fuertes vientos polvorientos) y mesas de glaciar (una gran piedra colocada precariamente sobre un pedestal estrecho 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 llamados “bosques de piedra” comunes en ciertas regiones de China y Madagascar. Estas formaciones rocosas puntiagudas, 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 la gravedad, que produce flujos convectivos naturales.

En la superficie, estos bosques de piedra se parecen bastante a “penitentes“: pilares nevados de hielo que se forman en aire muy seco que se encuentran en lo alto de los glaciares andinos. Charles Darwin describió a los penitentes en 1839 durante una excursión en marzo de 1835 en la que se abrió paso a través de campos de nieve cubiertos de penitentes en el camino de Santiago, Chile, a la ciudad argentina de Mendoza. Los físicos han podido 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 espigas de un bosque de piedras están talladas por corrientes, que no juegan un papel importante en la formación de penitentes.

Algunos físicos han sugerido que penitentes forma cuando la luz del sol evapora la nieve directamente en vapor (sublimación). Se forman diminutas crestas y depresiones, y la luz solar queda atrapada dentro de ellos, creando un calor adicional que crea depresiones aún más profundas, y esas superficies curvas a su vez actúan como una lente, acelerando aún más el proceso de sublimación. Un 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 tasa de sublimación más alta.

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 pétreas de Baikal Zen, el proceso parece similar a la hipótesis de sublimación para 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 las tablas de los glaciares (una roca sostenida por una delgada columna de hielo). Pudieron producir tablas de glaciares artificiales a pequeña escala en un entorno controlado y encontraron dos efectos en competencia que controlan el inicio de la formación de tablas de glaciares.

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 surge 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 detrás de la formación natural de las estructuras de Baikal Zen. “La escasez del fenómeno se debe a la rareza de las 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, que se sabe desde hace mucho tiempo que es característica de la zona del lago Baikal”.

Entonces, los investigadores se dispusieron a intentar reproducir el fenómeno en el laboratorio para probar su hipótesis. Utilizaron discos de metal como análogos experimentales de las piedras, 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, a pesar de que 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 tasa 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 dificulta la sublimación, protegiendo así el hielo que hay debajo, lo que da lugar a la formación del pedestal”.

Esto se confirmó posteriormente mediante simulaciones de modelos numéricos. Taberlet y Plihon también encontraron que el buzamiento, 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 de sublimación general en su vecindad.

Es bastante diferente del proceso que conduce a las tablas de los glaciares, a pesar de la forma similar de las dos formaciones. En el caso de las tablas de glaciares, el efecto paraguas es solo un factor secundario en el mecanismo subyacente. “Las tablas de glaciares aparecen en los glaciares de baja altitud cuando las condiciones climáticas hacen que el hielo se derrita en lugar de sublimarse”, escribieron los autores. “Se forman en el aire caliente mientras que el hielo permanece a 0 grados centígrados, 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 ha producido penitentes en Plutón y ha influido 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 firmas biológicas 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).


Source: Ars Technica by arstechnica.com.

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