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物理学家可能已经破解了冰基上平衡的“禅”石状态

飞涨 / 干燥器中禅石现象的实验室再现。

尼古拉斯·塔伯莱特 / 尼古拉斯·普勒霍恩

冬天去俄罗斯的贝加尔湖小海,你很可能会看到一个不寻常的现象:一块平坦的岩石平衡在薄薄的冰床上,类似于日本花园中常见的禅石堆叠。 这种现象有时被称为贝加尔湖禅宗形成。 对这些地层如何形成的典型解释是,岩石从太阳中获取光(和热),这会融化下面的冰,从而留下一个薄薄的底部来支撑它们。 岩石下的水在夜间再生,人们认为风也可能是一个因素。

现在,根据发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇新研究论文,两位法国物理学家认为他们已经解开了这些结构如何形成的谜团——他们的解决方案与石头的热导率无关。 相反,他们将形成归因于一种称为升华的现象,在这种现象中,雪或冰不经过水相而直接蒸发成蒸气。 具体来说,石头提供的阴影阻碍了附近冰的升华速度,而远处的冰以更快的速度升华。

许多类似的地层在自然界中自然发生,例如 头饰 (在沉积岩中形成了数百万年的高大包围结构), 蘑菇岩 或者是岩柱(底座被强风、尘土飞扬的风侵蚀)和冰川台(一块大石头,摇摇欲坠地坐在狭窄的冰底上)。 但是它们形成的基本机制可能完全不同。

例如,像 我们去年报道来自纽约大学的一组应用数学家研究了中国和马达加斯加某些地区常见的所谓“石林”。 这些尖尖的岩层,比如著名的 石林 在中国云南省,由于固体在重力作用下溶解成液体,产生自然对流流动。

表面上,这些石林看起来有些像忏悔者‘:在安第斯山脉的冰川高处非常干燥的空气中发现了冰雪羽流。查尔斯·达尔文在 1835 年 3 月的一次探险中描述了 1839 年的忏悔者,当时他从布满忏悔者的雪地中穿过。智利圣地亚哥,到阿根廷门多萨市,物理学家设法 重新创建它 体外忏悔剂的合成拷贝。 但忏悔者和石林在形成的机制上实际上是截然不同的。 石林的尖刺是由溪流雕刻而成的,这些溪流在忏悔的形成中没有起到很大的作用。

一些物理学家 你有一个建议 那个忏悔者 形成时 阳光将雪直接蒸发成蒸气(升华)。 小峰和谷形成,阳光被困在里面,产生额外的热量,蚀刻更深的谷,这些弯曲的表面反过来充当透镜,进一步加速升华过程。 那 替代建议 它增加了一个额外的机制来解释忏悔者之间特殊的周期性间隔:蒸汽扩散和热传递的结合导致非常陡峭的温度梯度,从而导致更高的升华率。

大自然中的禅石,贝加尔湖小海中(a,b); 在实验室 (C); 在数值模拟 (D) 中。  (a) O. Zima 摄。  (B) A 拍摄的照片。 亚纳里夫。
飞涨 / 大自然中的禅石,贝加尔湖小海中(a,b); 在实验室 (C); 在数值模拟 (D) 中。 (a) O. Zima 摄。 (B) A 拍摄的照片。 亚纳里夫。

尼古拉斯·塔伯莱特 / 尼古拉斯·普勒霍恩

根据法国里昂国家科学研究中心的共同作者 Nicolas Taberlet 和 Nicolas Plehon 的说法,就贝加尔湖禅宗石地层而言,这一过程似乎类似于忏悔者的升华假说。 本月初,嗯 发表了一项有点相关的研究 在关于冰川流(由薄冰柱支撑的岩石)的自然形成的物理评论快报中。 他们能够在受控环境中产生少量人造冰川,并发现了控制冰川形成开始的两种相互竞争的影响。

较小的石帽具有较高的导热性,热流的几何放大导致石帽下沉在冰中。 对于导热系数较低的较大冰盖,由于冰盖的温度高于周围的冰,从而形成了一张桌子,因此热流会减少。

在这项最新研究中,Taberlet 和 Plihon 想探索贝加尔湖禅宗结构自然形成的潜在机制。 作者写道:“这种现象的罕见源于厚、平坦和无雪的冰层的稀缺,这需要长期寒冷和干燥的条件。” “天气记录显示解冻几乎是不可能的,相反,大气条件(风、温度、相对湿度)有利于升华,这一直是贝加尔湖地区的特征。”

因此,研究人员开始尝试在实验室中重现这一现象以检验他们的假设。 他们使用金属圆盘作为石头的实验类似物,并将圆盘放在商用干燥机中的冰块表面。 该工具冻结材料,然后减压并加热,因此冻结的水会变硬。 与石头相比,金属盘具有更高的反射率,可防止盘在干燥室中过热。

地球之外

铝和铜圆盘产生了贝加尔湖禅宗结构,尽管铜的热导率几乎是铝的两倍。 作者得出结论,石头的热性能在这个过程中不是关键因素。 “远离石头,升华率受漫射阳光的影响,而它在附近产生的阴影限制了升华过程,”作者写道。 “我们表明,这块石头只是作为一个天篷,它的阴影阻碍了升华,从而保护了下面的冰,创造了一个基座。”

后来通过数值建模模拟证实了这一点。 Taberlet 和 Plihon 还发现,底部周围的倾斜或倾斜是石头(或圆盘)本身发出的远红外辐射的结果,提高了其附近的整体升华速度。

尽管两种地层的形状相似,但它与导致冰流的过程大不相同。 在冰流的情况下,冠层效应只是潜在机制中的一个次要因素。 作者写道:“当大气条件导致冰融化而不是升华时,冰川流就会出现在低海拔冰川上。” “它们在暖空气中形成,而冰保持在 0°C,而禅石在比冰冷的空气中形成。”

了解这些地层如何自然发生可以帮助我们更多地了解宇宙中的其他事物,因为冰升华使冥王星产生了悔改,并影响了火星、冥王星、谷神星、木星卫星、土星卫星等地貌的形成。 彗星。 研究人员总结说:“确实,美国宇航局的欧罗巴着陆器项目旨在寻找木星冰覆盖的卫星上的重要指纹,其表面差异升华可能会威胁探测器的稳定性,这需要充分了解。”

DOI:美国国家科学院院刊,2021 年。 10.1073/pnas.2109107118 (关于 DOI)。

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