Удивительный баланс: как формируются «дзэн-камни» на замерзших водах Байкала
На замерзшей поверхности озера Байкал в Сибири природа творит искусство
Камень, как обнаружили физики, действует как своего рода зонтик, затеняя небольшой участок столбика льда от солнечного излучения и предотвращая его сублимацию. В результате намерзший под камнем лед тает лишь частично и образуется тонкая «подложка», поддерживающая камень. Более того, излучение самого камня как черного тела в инфракрасной области создает неглубокую выемку вокруг основания столба.
«Мы демонстрируем, что камни дзэн появляются из-за изменения скорости сублимации окружающего льда, что приводит к медленному формированию пьедестала», − объясняют в своем исследовании физики Николя Таберле и Николя Плион из Французского национального центра научных исследований во Франции. «Понимание этого процесса, в свою очередь, проливает свет на другие дифференциальные процессы абляции, встречающиеся на ледяных поверхностях, такие как покрытые обломками ледники, существованию которых угрожает глобальное потепление, и ледяные тела в космосе», − добавляют они.
Если вы загуглите вопрос в Сети, то узнаете, что чаще всего подобные аномалии на Байкале объясняют ветровой эррозией. Однако, как отмечают Таберлет и Плихон, эти образования не показывают признаков механического износа, который мог бы быть связан с ветровой абляцией. Камни дзэн можно найти даже в пещерах, что обеспечивает некоторый уровень защиты от сильных потоков ветра.
Исследователи стремились изучить механизмы образования этих ледяных пьедесталов, воссоздав этот процесс в вакуумной камере в лаборатории. Диск из алюминия, представляющий камень, был помещен на глыбу льда, которая затем сублимировалась под инфракрасным излучением черного тела от стен камеры.
В отсутствие алюминиевого диска лед сублимировался изотропно (однородно), имитируя изотропию рассеянного солнечного света в пасмурный день. Когда диск был помещен на лед, исследователи наблюдали формирование пьедестала, хотя и с преднамеренно увеличенной скоростью — в природе процесс формирования может занять несколько недель.
Затем они использовали численное моделирование, чтобы понять, что происходит. Результаты показали, что рассеянное солнечное излучение сублимирует поверхность льда, то есть превращает ее непосредственно в пар, минуя жидкую стадию.
Однако присутствие породы приводит к неравномерной скорости сублимации. Камень действует как своего рода зонтик, оставляя тонкую колонну, наиболее защищенную от излучения, для сублимации последней.
Полость в основании колонны, которая, как отметили ученые, соответствовала форме камня, вызвала большее недоумение. Однако Таберлет и Плихон продемонстрировали, что они сформированы излучением черного тела в дальней инфракрасной области, испускаемым самим камнем, который излучает в диапазоне температур от -20 до 0 градусов Цельсия.
По словам исследователей, этот процесс сильно отличается от образования очень похожей по форме, но гораздо более крупной природной структуры — ледниковых столов. Они образуются, когда прямые солнечные лучи растапливают лед вокруг большого камня, создавая объект, очень похожий на стол.
«Ледниковые столы образуются потому, что горные породы могут действовать как теплоизолятор, и, следовательно, их тепловые свойства (проводимость и удельная теплоемкость) имеют решающее значение. То есть этот процесс прямо противоположен механике появления камней дзэн», — объясняют исследователи. По их словам, поскольку теплопроводность внутри ледниковых столов имеет решающее значение, существует минимальная толщина (которая зависит от материала), ниже которой камень погружается глубоко в лед, а не образует «стол».