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物理学者は、氷の土台の上でバランスの取れた「禅」の石の状態をクラックした可能性があります

ズーム / デシケーターでの禅石現象の実験室再現。

Nicolas Taberlett / Nicolas Plehoun

冬の間にロシアのバイカル湖の小さな海を訪れると、珍しい現象が見られる可能性があります:日本庭園で一般的な禅の石の積み重ねに似た、薄い氷のベッドの上でバランスの取れた平らな岩。 この現象は、バイカル禅形成と呼ばれることもあります。 これらの形成がどのように発生するかについての典型的な説明は、岩が太陽からの光(および熱)を捕らえ、これが下の氷を溶かして、それらを支えるために薄い基盤が残るというものです。 岩の下の水は夜に再生し、風も要因と考えられます。

現在、2人のフランスの物理学者は、全米科学アカデミーの議事録に掲載された新しい研究論文によると、これらの構造がどのように形成されるかという謎を解いたと考えています。彼らの解は石の熱伝導率とは何の関係もありません。 代わりに、彼らは、雪や氷が水相を通過せずに直接蒸気に蒸発する昇華として知られる現象に形成を帰します。 具体的には、石によって提供される影は、その近くの周囲の氷の昇華速度を妨げますが、遠くの氷はより速い速度で昇華します。

多くの同様の形成は、自然界で自然に発生します。 帽子 (堆積岩内で数百万年以上にわたって形成される背の高い、包み込む構造)、 きのこ岩 または、岩の柱(土台が強いほこりっぽい風によって侵食された)、氷河のテーブル(狭い氷の土台の上に不安定に座っている大きな石)。 しかし、それらが形成される基本的なメカニズムは完全に異なる可能性があります。

たとえば、 昨年報告しましたニューヨーク大学の応用数学者のチームは、中国とマダガスカルの特定の地域で一般的ないわゆる「石林」を研究しました。 有名ななどのこれらの尖った岩層 石の森 中国の雲南省では、重力の存在下で固体を液体に溶解した結果、自然対流が発生します。

表面上、これらの石林はやや似ています悔恨者‘:アンデスの氷河の高いところにある非常に乾燥した空気の中に氷の雪の噴煙が形成されているのが発見されました。チリ、サンティアゴ、アルゼンチンの都市メンドーサへ、物理学者はなんとかして それを再現する invitroでの悔い改めの合成コピー。 しかし、ペニテントと石林は、それらの形成に関与するメカニズムの点で実際にはかなり異なります。 石林のスパイクは、ペニテントの形成に大きな役割を果たさない小川によって刻まれました。

一部の物理学者 あなたは提案があります その悔い改め いつフォーム 日光は雪を直接蒸気に蒸発させます(昇華)。 小さな山と谷が形成され、太陽光が内部に閉じ込められて、より深い谷をエッチングする追加の熱が発生します。これらの曲面はレンズとして機能し、昇華プロセスをさらに加速します。 それ 代替案 それは、ペニテント間の特有の周期的な間隔を説明するための追加のメカニズムを追加します:蒸気拡散と熱伝達の組み合わせは、非常に急な温度勾配をもたらし、したがってより高い昇華速度をもたらします。

バイカル湖の小さな海にある自然の禅石(a、b); 実験室で(C); そして数値シミュレーションでは(d)。  (a)O.Zimaによる写真。  (B)Aが撮影した写真。 ヤナリヴ。
ズーム / バイカル湖の小さな海にある自然の禅石(a、b); 実験室で(C); そして数値シミュレーションでは(d)。 (a)O.Zimaによる写真。 (B)Aが撮影した写真。 ヤナリヴ。

Nicolas Taberlett / Nicolas Plehoun

フランスのリヨンにある国立科学研究センターの共著者であるNicolasTaberletとNicolasPlehonによると、バイカルゼンの石層の場合、プロセスはペニテントの昇華仮説と同様に見えます。 今月初め、うーん やや関連する研究が発表されました 氷河の流れ(薄い氷の柱で支えられた岩)の自然な形成に関する物理レビューレター。 彼らは、制御された環境で人工氷河の小さな流れを作り出すことができ、氷河形成の開始を制御する2つの競合する効果を発見しました。

熱伝導率の高い小さな石のキャップでは、熱流の幾何学的な増幅により、キャップが氷に沈みます。 熱伝導率の低い大きなキャップの場合、キャップの温度が周囲の氷よりも高く、テーブルが形成されるため、熱流が減少します。

この最新の研究では、TaberletとPlihonは、バイカル湖の禅構造の自然な形成の根底にあるメカニズムを調査したいと考えていました。 「この現象の希少性は、長期の寒冷および乾燥条件を必要とする、厚く、平らで、雪のない氷層の不足に起因します」と著者は書いています。 「気象記録によると、解凍はほとんど不可能であり、代わりに、大気条件(風、温度、相対湿度)が昇華を促進します。これは、バイカル湖地域の特徴であることが長い間知られています。」

そこで、研究者たちは、仮説を検証するために、実験室で現象を再現しようと試みました。 彼らは石の実験的な類似物として金属ディスクを使用し、市販の乾燥機で氷のブロックの表面にディスクを置きました。 ツールは材料を凍結し、次に圧力を下げて熱を加えるので、凍結した水は固まります。 石に比べて金属ディスクの反射率が高いため、乾燥機内でディスクが過熱するのを防ぎました。

地球の外

銅はアルミニウムのほぼ2倍の熱伝導率を持っていますが、アルミニウムと銅のディスクはバイカルゼン構成を生み出しました。 著者らは、石の熱特性はこのプロセスの重要な要素ではないと結論付けました。 「石から離れると、昇華の速度は拡散日光の影響を受けますが、その近くに形成される影は昇華プロセスを制限します」と著者は書いています。 「石は、その影が昇華を妨げる天蓋としてのみ機能し、その結果、下の氷を保護し、台座を作成することを示しています。」

これは後に数値モデリングシミュレーションによって確認されました。 TaberletとPlihonはまた、ベースを取り巻くディップまたはディップは、石(またはディスク)自体から放出される遠赤外線の結果であり、その周辺の全体的な昇華率を高めることを発見しました。

2つの層の形状が似ているにもかかわらず、氷流につながるプロセスとは大きく異なります。 氷の流れの場合、キャノピー効果は根本的なメカニズムの小さな要因にすぎません。 「氷河の流れは、大気条件によって氷が昇華するのではなく溶けるときに、低高度の氷河に現れる」と著者らは書いている。 「氷が0°Cのままである間、それらは暖かい空気の中で形成されますが、禅の石は氷よりも冷たい空気の中で形成されます。」

氷の昇華が冥王星に悔い改めをもたらし、火星、冥王星、セレス、木星の衛星、土星の衛星などの景観の形成に影響を与えたため、これらの形成が自然にどのように発生するかを理解することは、宇宙の他のことについて学ぶのに役立ちます。 彗星。 「実際、NASAのエウロパランダープロジェクトは、氷に覆われた木星の月で重要な指紋を探すことを目的としています。木星の表面の昇華差は、プローブの安定性を脅かす可能性があり、これを完全に理解する必要があります」と研究者らは結論付けました。

DOI:PNAS、2021。 10.1073 / pnas.2109107118 ((DOIについて)。

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