Ghé thăm Biển Hồ Baikal nhỏ ở Nga vào mùa đông, và bạn có thể sẽ thấy một hiện tượng bất thường: một tảng đá phẳng nằm cân bằng trên một lớp băng mỏng, giống như sự xếp chồng của đá zen thường thấy trong các khu vườn Nhật Bản. Hiện tượng này đôi khi được gọi là sự hình thành Baikal Zen. Lời giải thích điển hình cho cách những sự hình thành này xảy ra là những tảng đá thu nhận ánh sáng (và nhiệt) từ mặt trời và điều này làm tan chảy lớp băng bên dưới để vẫn còn một lớp nền mỏng để hỗ trợ chúng. Nước dưới đá tái sinh vào ban đêm và người ta cho rằng gió cũng có thể là một yếu tố.

Theo một bài báo nghiên cứu mới được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, hai nhà vật lý người Pháp cho rằng họ đã giải đáp được bí ẩn về cách những cấu trúc này hình thành. Thay vào đó, họ cho rằng sự hình thành là một hiện tượng được gọi là thăng hoa, trong đó tuyết hoặc băng bốc hơi trực tiếp thành hơi mà không đi qua pha nước. Cụ thể, bóng do đá cung cấp cản trở tốc độ thăng hoa của băng xung quanh ở vùng lân cận của nó, trong khi băng ở xa thăng hoa với tốc độ nhanh hơn.

Nhiều sự hình thành tương tự xảy ra trong tự nhiên, chẳng hạn như mũ nón (các cấu trúc cao, bao bọc hình thành qua hàng triệu năm trong đá trầm tích), đá nấm Hoặc các cột đá (phần chân đế đã bị xói mòn bởi gió mạnh, nhiều bụi), và các bàn băng (một tảng đá lớn nằm bấp bênh trên đỉnh một tảng băng hẹp). Nhưng các cơ chế cơ bản mà chúng được hình thành có thể hoàn toàn khác nhau.

Ví dụ, như Chúng tôi đã báo cáo vào năm ngoáiMột nhóm các nhà toán học ứng dụng từ Đại học New York đã nghiên cứu cái gọi là “rừng đá” phổ biến ở một số vùng của Trung Quốc và Madagascar. Những thành tạo đá nhọn này, chẳng hạn như rừng đá Ở tỉnh Vân Nam, Trung Quốc, do sự hòa tan chất rắn thành chất lỏng trong điều kiện có trọng lực, dẫn đến các dòng đối lưu tự nhiên.

Nhìn bề ngoài, những khu rừng đá này trông hơi giống vớingười đền tội‘: Những tảng băng tuyết đã được tìm thấy hình thành trong không khí rất khô trên các sông băng của dãy Andes. Charles Darwin đã mô tả những người sám hối vào năm 1839 trong một chuyến thám hiểm vào tháng 3 năm 1835 khi anh ta đi qua những cánh đồng tuyết phủ đầy những kẻ sám hối trên đường từ Santiago, Chile, Đến thành phố Mendoza của Argentina, các nhà vật lý đã để tạo lại nó Bản sao tổng hợp của người ăn năn trong ống nghiệm. Nhưng rừng đá sám hối và rừng đá thực sự khá khác nhau về cơ chế liên quan đến sự hình thành của chúng. Những cái gai của rừng đá bị suối khắc không đóng vai trò lớn trong việc hình thành những con người đền tội.

một số nhà vật lý bạn có một gợi ý rằng người ăn năn hình thành khi Ánh sáng mặt trời làm bay hơi tuyết trực tiếp thành hơi (thăng hoa). Các đỉnh và rãnh nhỏ hình thành, và ánh sáng mặt trời bị giữ lại bên trong, tạo ra nhiệt bổ sung khắc sâu các rãnh sâu hơn, và các bề mặt cong này lần lượt hoạt động như một thấu kính, thúc đẩy quá trình thăng hoa hơn nữa. điều đó gợi ý thay thế Nó bổ sung một cơ chế bổ sung để giải thích cho khoảng cách tuần hoàn đặc biệt giữa các hối nhân: sự kết hợp giữa khuếch tán hơi và truyền nhiệt dẫn đến một gradient nhiệt độ rất dốc, và do đó tốc độ thăng hoa cao hơn.

Trong trường hợp hình thành đá Baikal Zen, quá trình xuất hiện tương tự như giả thuyết thăng hoa của những người sám hối, theo các đồng tác giả Nicolas Taberlet và Nicolas Plehon thuộc Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia ở Lyon, Pháp. Đầu tháng này, hmm Một nghiên cứu có liên quan đã được xuất bản Trong Thư Đánh giá Vật lý về sự hình thành tự nhiên của các dòng sông băng (một tảng đá được nâng đỡ bởi một cột băng mỏng). Họ đã có thể tạo ra các dòng sông băng nhân tạo nhỏ trong một môi trường được kiểm soát và phát hiện ra hai tác động cạnh tranh kiểm soát sự bắt đầu hình thành sông băng.

Với các nắp đá nhỏ hơn có độ dẫn nhiệt cao hơn, sự khuếch đại hình học của dòng nhiệt làm cho nắp chìm trong băng. Đối với nắp lớn hơn có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn, dòng nhiệt giảm phát sinh do nắp có nhiệt độ cao hơn băng xung quanh, tạo thành bảng.

Trong nghiên cứu mới nhất này, Taberlet và Plihon muốn khám phá cơ chế hình thành tự nhiên của cấu trúc Baikal Zen. Các tác giả viết: “Sự hiếm gặp của hiện tượng này bắt nguồn từ sự khan hiếm của các lớp băng dày, phẳng và không có tuyết, đòi hỏi điều kiện khô và lạnh trong thời gian dài”. “Các ghi chép về thời tiết cho thấy việc tan băng là gần như không thể, và thay vào đó, các điều kiện khí quyển (gió, nhiệt độ, độ ẩm tương đối) tạo điều kiện cho sự thăng hoa, vốn từ lâu đã được biết đến là đặc trưng của vùng Hồ Baikal.”

Vì vậy, các nhà nghiên cứu bắt đầu cố gắng tái tạo hiện tượng trong phòng thí nghiệm để kiểm tra giả thuyết của họ. Họ sử dụng đĩa kim loại làm chất tương tự của đá trong thí nghiệm, và đặt đĩa lên bề mặt của các khối băng trong một máy sấy thương mại. Công cụ làm đông vật liệu, sau đó giảm áp suất và thêm nhiệt, do đó nước đông cứng lại. Độ phản xạ của đĩa kim loại cao hơn so với đá giúp đĩa không bị quá nhiệt trong buồng máy sấy.

Ngoài trái đất

Đĩa nhôm và đồng tạo ra cấu hình Baikal Zen, mặc dù đồng có độ dẫn nhiệt gần gấp đôi nhôm. Các tác giả kết luận rằng đặc tính nhiệt của đá không phải là yếu tố quan trọng trong quá trình này. Các tác giả viết: “Ở cách xa viên đá, tốc độ thăng hoa phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời khuếch tán, trong khi bóng mà nó tạo ra ở vùng lân cận sẽ hạn chế quá trình thăng hoa”. “Chúng tôi cho thấy rằng đá chỉ đóng vai trò như một cái tán mà cái bóng của nó cản trở sự thăng hoa, do đó bảo vệ lớp băng bên dưới, tạo ra một cái bệ.”

Điều này sau đó đã được xác nhận bằng các mô phỏng mô hình số. Taberlet và Plihon cũng phát hiện ra rằng sự nhúng hoặc nhúng xung quanh đế là kết quả của bức xạ hồng ngoại xa do chính viên đá (hoặc đĩa) phát ra, nâng cao tốc độ thăng hoa tổng thể trong vùng lân cận của nó.

Nó rất khác với quá trình dẫn đến các dòng băng, mặc dù hình dạng của hai thành tạo tương tự nhau. Trong trường hợp của các dòng băng giá, hiệu ứng tán cây chỉ là một yếu tố phụ trong cơ chế cơ bản. Các tác giả viết: “Các dòng sông băng xuất hiện trên các sông băng ở độ cao thấp khi điều kiện khí quyển khiến băng tan chảy thay vì thăng hoa”. “Chúng hình thành trong không khí ấm trong khi băng vẫn ở 0 ° C, trong khi đá zen hình thành trong không khí lạnh hơn băng.”

Hiểu được cách những sự hình thành này xảy ra một cách tự nhiên có thể giúp chúng ta tìm hiểu thêm về những thứ khác trong vũ trụ, vì sự thăng hoa của băng đã tạo ra sự ăn năn trên Sao Diêm Vương và ảnh hưởng đến sự hình thành cảnh quan trên Sao Hỏa, Sao Diêm Vương, Ceres, mặt trăng của Sao Mộc, mặt trăng của Sao Thổ, và nhiều hơn nữa. sao chổi. Các nhà nghiên cứu kết luận: “Thật vậy, dự án Europa Lander của NASA nhằm mục đích tìm kiếm các dấu vân tay quan trọng trên mặt trăng phủ băng của sao Mộc, nơi mà sự thăng hoa chênh lệch bề mặt có thể đe dọa sự ổn định của tàu thăm dò và điều này cần được hiểu đầy đủ”, các nhà nghiên cứu kết luận.

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