Les physiciens ont peut-être déchiffré l’état des pierres «zen» en équilibre sur des bases de glace

Visitez la petite mer du lac Baïkal en Russie pendant l’hiver, et vous verrez probablement un phénomène inhabituel : un rocher plat en équilibre sur un mince lit de glace, ressemblant à l’empilement de pierres zen courantes dans les jardins japonais. Ce phénomène est parfois appelé la formation Baïkal Zen. L’explication typique de la façon dont ces formations se produisent est que les roches captent la lumière (et la chaleur) du soleil, ce qui fait fondre la glace en dessous de sorte qu’une fine base reste pour les soutenir. L’eau sous la roche se régénère la nuit, et on pense que le vent peut également être un facteur.

Maintenant, deux physiciens français pensent avoir résolu le mystère de la formation de ces structures, selon un nouvel article de recherche publié dans les Actes de l’Académie nationale des sciences – et leur solution n’a rien à voir avec la conductivité thermique de la pierre. Au lieu de cela, ils attribuent la formation à un phénomène connu sous le nom de sublimation, où la neige ou la glace s’évapore directement en vapeur sans passer par la phase aqueuse. Plus précisément, l’ombre fournie par la pierre entrave les taux de sublimation de la glace environnante dans son voisinage, tandis que la glace distante se sublime à un rythme plus rapide.

De nombreuses formations similaires se produisent naturellement dans la nature, telles que couvre-chef (les structures hautes et enveloppantes qui se forment sur des millions d’années dans les roches sédimentaires), rochers aux champignons Ou des piliers rocheux (la base a été érodée par des vents forts et poussiéreux) et des tables de glacier (une grosse pierre assise de manière précaire au sommet d’une étroite base de glace). Mais les mécanismes de base par lesquels ils sont formés peuvent être complètement différents.

Par exemple, comme nous l’avions signalé l’année dernière, une équipe de mathématiciens appliqués de l’Université de New York a étudié les soi-disant « forêts de pierre » communes dans certaines régions de Chine et de Madagascar. Ces formations rocheuses pointues, comme la célèbre forêt de pierre Dans la province chinoise du Yunnan, en raison de la dissolution de solides dans des liquides en présence de gravité, ce qui entraîne des flux de convection naturelle.

En surface, ces forêts de pierre ressemblent quelque peu àpénitents‘ : des panaches de neige de glace ont été trouvés se formant dans l’air très sec en hauteur dans les glaciers des Andes. Charles Darwin a décrit les pénitents en 1839 lors d’une expédition en mars 1835 alors qu’il se frayait un chemin à travers des champs de neige recouverts de pénitents sur son chemin de Santiago, Chili, à la ville argentine de Mendoza, les physiciens ont réussi à pour le recréer Copies synthétiques de repentis in vitro. Mais les pénitents et les forêts de pierre sont en réalité assez différents en termes de mécanismes impliqués dans leur formation. Les pointes de la forêt de pierre ont été sculptées par des ruisseaux qui ne jouent pas un grand rôle dans la formation des pénitents.

certains physiciens tu as une proposition que le repentant forme quand La lumière du soleil vaporise la neige directement en vapeur (sublimation). De petits pics et creux se forment, et la lumière du soleil est piégée à l’intérieur, créant une chaleur supplémentaire qui grave des creux plus profonds, et ces surfaces incurvées agissent à leur tour comme une lentille, accélérant encore plus le processus de sublimation. cette suggestion alternative Il ajoute un mécanisme supplémentaire pour tenir compte de l’espacement périodique particulier entre les pénitents : une combinaison de diffusion de vapeur et de transfert de chaleur entraîne un gradient de température très abrupt, et donc un taux de sublimation plus élevé.

Dans le cas des formations rocheuses du Baïkal Zen, le processus semble similaire à l’hypothèse de la sublimation des pénitents, selon les co-auteurs Nicolas Taberlet et Nicolas Plehon du Centre national de la recherche scientifique de Lyon, en France. Plus tôt ce mois-ci, hmm Une étude quelque peu connexe a été publiée Dans Physical Review Letters sur la formation naturelle des ruisseaux glaciaires (une roche soutenue par une mince colonne de glace). Ils ont pu produire de petits ruisseaux de glaciers artificiels dans un environnement contrôlé et ont trouvé deux effets concurrents contrôlant le début de la formation des glaciers.

Avec des calottes en pierre plus petites avec une conductivité thermique plus élevée, l’amplification géométrique du flux de chaleur fait couler la calotte dans la glace. Pour une calotte plus grande avec une conductivité thermique plus faible, une diminution du flux de chaleur provient du fait que la calotte a une température plus élevée que la glace environnante, formant une table.

Dans cette dernière étude, Taberlet et Plihon ont voulu explorer les mécanismes sous-jacents à la formation naturelle des structures zen du Baïkal. « La rareté de ce phénomène provient de la rareté des couches de glace épaisses, plates et sans neige, qui nécessitent des conditions froides et sèches à long terme », ont écrit les auteurs. « Les enregistrements météorologiques montrent que le dégel est presque impossible, et au lieu de cela, les conditions atmosphériques (vent, température, humidité relative) favorisent la sublimation, connue depuis longtemps pour être caractéristique de la région du lac Baïkal. »

Les chercheurs ont donc tenté de reproduire le phénomène en laboratoire pour tester leur hypothèse. Ils ont utilisé des disques métalliques comme analogues expérimentaux de pierres et ont placé les disques à la surface de blocs de glace dans une machine de séchage commerciale. L’outil gèle le matériau, puis réduit la pression et ajoute de la chaleur, de sorte que l’eau gelée durcit. La réflectivité plus élevée des disques métalliques par rapport à la pierre a empêché les disques de surchauffer dans les chambres de séchage.

En dehors de la terre

Les disques d’aluminium et de cuivre ont produit des configurations Baikal Zen, bien que le cuivre ait presque deux fois la conductivité thermique de l’aluminium. Les auteurs ont conclu que les propriétés thermiques de la pierre n’étaient pas un facteur critique dans ce processus. « Loin de la pierre, le taux de sublimation est soumis à la lumière solaire diffuse, tandis que l’ombre qu’elle crée à son voisinage limite le processus de sublimation », ont écrit les auteurs. « Nous montrons que la pierre agit uniquement comme un dais dont l’ombre empêche la sublimation, protégeant ainsi la glace en dessous, créant un piédestal. »

Ceci a été confirmé plus tard par des simulations de modélisation numérique. Taberlet et Plihon ont également découvert que le creux ou le creux entourant la base est le résultat du rayonnement infrarouge lointain émis par la pierre (ou le disque) elle-même, améliorant le taux de sublimation global à proximité.

Il est très différent du processus qui conduit aux coulées de glace, malgré la forme similaire des deux formations. Dans le cas des cours d’eau glacés, l’effet de canopée n’est qu’un facteur mineur dans le mécanisme sous-jacent. « Les ruisseaux glaciaires apparaissent sur les glaciers de basse altitude lorsque les conditions atmosphériques font fondre la glace plutôt que de la sublimer », ont écrit les auteurs. « Ils se forment dans l’air chaud alors que la glace reste à 0°C, tandis que les pierres zen se forment dans un air plus frais que la glace. »

Comprendre comment ces formations se produisent naturellement peut nous aider à en apprendre davantage sur d’autres choses dans l’univers, car la sublimation de la glace a produit des repentirs sur Pluton et influencé la formation de paysages sur Mars, Pluton, Cérès, les lunes de Jupiter, les lunes de Saturne et bien d’autres. . comètes. « En effet, le projet Europa Lander de la NASA vise à rechercher des empreintes digitales vitales sur la lune recouverte de glace de Jupiter, dont la sublimation différentielle de surface peut menacer la stabilité de la sonde, et cela doit être parfaitement compris », ont conclu les chercheurs.

DOI : PNAS, 2021. 10.1073/pnas.2109107118 (à propos des DOI).