Visite o Pequeno Mar do Lago Baikal na Rússia durante o inverno e você provavelmente verá um fenômeno incomum: uma rocha plana equilibrada em uma fina camada de gelo, semelhante ao empilhamento de pedras zen comuns nos jardins japoneses. Esse fenômeno às vezes é chamado de formação Baikal Zen. A explicação típica de como essas formações ocorrem é que as rochas capturam luz (e calor) do sol e isso derrete o gelo por baixo de forma que uma base fina permanece para sustentá-las. A água sob a rocha se regenera à noite, e acredita-se que o vento também possa ser um fator.

Agora, dois físicos franceses pensam que resolveram o mistério de como essas estruturas se formam, de acordo com um novo artigo de pesquisa publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences – e sua solução não tem nada a ver com a condutividade térmica da pedra. Em vez disso, eles atribuem a formação a um fenômeno conhecido como sublimação, onde a neve ou o gelo evaporam diretamente em vapor sem passar pela fase aquosa. Especificamente, a sombra fornecida pela pedra impede as taxas de sublimação do gelo circundante em sua vizinhança, enquanto o gelo distante sublima em uma taxa mais rápida.

Muitas formações semelhantes ocorrem naturalmente na natureza, como chapéu (as estruturas altas e envolventes que se formam ao longo de milhões de anos dentro das rochas sedimentares), rochas de cogumelo Ou pilares de rocha (a base foi erodida por fortes ventos empoeirados) e mesas de geleira (uma grande pedra precariamente colocada sobre uma base estreita de gelo). Mas os mecanismos básicos pelos quais eles são formados podem ser completamente diferentes.

Por exemplo, como Reportamos ano passadoUma equipe de matemáticos aplicados da Universidade de Nova York estudou as chamadas “florestas de pedra” comuns em certas regiões da China e Madagascar. Essas formações rochosas pontiagudas, como a famosa floresta de pedra Na província de Yunnan, na China, como resultado da dissolução de sólidos em líquidos na presença da gravidade, resultando em fluxos de convecção natural.

Na superfície, essas florestas de pedra parecem um pouco semelhantes apenitentes‘: Plumas de neve de gelo foram encontradas se formando no ar muito seco no alto das geleiras dos Andes. Charles Darwin descreveu penitentes em 1839 durante uma expedição em março de 1835 enquanto caminhava por campos de neve cobertos de penitentes em seu caminho de Santiago, Chile, Para a cidade argentina de Mendoza, físicos conseguiram para recriá-lo Cópias sintéticas de arrependidos in vitro. Mas os penitentes e as florestas de pedra são bastante diferentes em termos dos mecanismos envolvidos em sua formação. As pontas da floresta de pedra foram esculpidas por riachos que não desempenham um grande papel na formação dos penitentes.

alguns físicos você tem uma sugestão que o arrependido formulário quando A luz solar vaporiza a neve diretamente em vapor (sublimação). Formam-se pequenos picos e vales, e a luz do sol fica presa dentro, criando calor adicional que grava vales mais profundos, e essas superfícies curvas, por sua vez, agem como uma lente, acelerando ainda mais o processo de sublimação. naquela sugestão alternativa Ele adiciona um mecanismo adicional para explicar o espaçamento periódico peculiar entre os penitentes: uma combinação de difusão de vapor e transferência de calor resulta em um gradiente de temperatura muito acentuado e, portanto, uma taxa de sublimação mais alta.

No caso das formações rochosas do Baikal Zen, o processo parece semelhante à hipótese de sublimação dos penitentes, segundo os coautores Nicolas Taberlet e Nicolas Plehon, do Centro Nacional de Pesquisas Científicas de Lyon, na França. No início deste mês, hmm Um estudo um tanto relacionado foi publicado Em Physical Review Letters sobre a formação natural de riachos glaciares (uma rocha sustentada por uma fina coluna de gelo). Eles foram capazes de produzir pequenos riachos de geleiras artificiais em um ambiente controlado e encontraram dois efeitos concorrentes controlando o início da formação de geleiras.

Com tampas de pedra menores com maior condutividade térmica, a amplificação geométrica do fluxo de calor faz com que a tampa afunde no gelo. Para uma tampa maior e com menor condutividade térmica, a diminuição do fluxo de calor decorre do fato da tampa ter uma temperatura mais elevada do que o gelo circundante, formando uma mesa.

Neste último estudo, Taberlet e Plihon queriam explorar os mecanismos subjacentes à formação natural das estruturas Baikal Zen. “A raridade desse fenômeno decorre da escassez de camadas de gelo espessas, planas e sem neve, que requerem condições de frio e seco de longo prazo”, escreveram os autores. “Os registros meteorológicos mostram que o degelo é quase impossível e, em vez disso, as condições atmosféricas (vento, temperatura, umidade relativa) favorecem a sublimação, que há muito se sabe ser característica da região do Lago Baikal.”

Então, os pesquisadores começaram a tentar reproduzir o fenômeno em laboratório para testar suas hipóteses. Eles usaram discos de metal como análogos experimentais de pedras e os colocaram na superfície de blocos de gelo em uma máquina de secagem comercial. A ferramenta congela o material, reduz a pressão e adiciona calor, de modo que a água congelada endurece. A maior refletividade dos discos de metal em comparação com a pedra evitou que os discos superaquecessem nas câmaras do secador.

Fora da terra

Discos de alumínio e cobre produziram configurações Baikal Zen, embora o cobre tenha quase o dobro da condutividade térmica do alumínio. Os autores concluíram que as propriedades térmicas da pedra não foram um fator crítico neste processo. “Longe da pedra, a taxa de sublimação está sujeita à luz solar difusa, enquanto a sombra que ela cria em sua vizinhança limita o processo de sublimação”, escreveram os autores. “Mostramos que a pedra atua apenas como um dossel cuja sombra impede a sublimação, protegendo assim o gelo por baixo, criando um pedestal”.

Isso foi posteriormente confirmado por simulações de modelagem numérica. Taberlet e Plihon também descobriram que a queda ou queda em torno da base é resultado da radiação infravermelha emitida pela própria pedra (ou disco), aumentando a taxa geral de sublimação em sua vizinhança.

É muito diferente do processo que leva às correntes de gelo, apesar do formato semelhante das duas formações. No caso de riachos gelados, o efeito do dossel é apenas um fator menor no mecanismo subjacente. “Riachos de geleiras aparecem em geleiras de baixa altitude quando as condições atmosféricas fazem o gelo derreter em vez de sublimar”, escreveram os autores. “Eles se formam no ar quente enquanto o gelo permanece a 0 ° C, enquanto as pedras zen se formam no ar que é mais frio do que o gelo.”

Compreender como essas formações ocorrem naturalmente pode nos ajudar a aprender mais sobre outras coisas no universo, já que a sublimação do gelo produziu arrependimentos em Plutão e influenciou a formação de paisagens em Marte, Plutão, Ceres, luas de Júpiter, luas de Saturno e muitos mais. cometas. “Na verdade, o projeto Europa Lander da NASA visa procurar impressões digitais vitais na lua de Júpiter coberta de gelo, cuja superfície de sublimação diferencial pode ameaçar a estabilidade da sonda, e isso precisa ser totalmente compreendido”, concluíram os pesquisadores.

DOI: PNAS, 2021. 10.1073 / pnas.2109107118 (Sobre DOIs)