Фізика
Фізика

Камені відкинули тінь та виростили собі крижаний п'єдестал

Іноді на крижаних поверхнях камені входять у дзен та балансують на крижаній ніжці над поверхнею. Французькі фізики спробували відтворити це явище у лабораторії та з'ясували, що зберігати баланс і стійкість каменям допомагає їхня власна тінь. Завдяки їй вони зупиняють сублімацію криги навколо себе і так формують п'єдестал для себе. Причому його форма не залежить від характеристик каменю і навіть найтонша брила здатна увійти у дзен, повідомляють вчені у Proceedings of the National Academy of Sciences.

Металевий диск у лабораторії, що імітував дзен-камені для фізиків. CNBS

Металевий диск у лабораторії, що імітував дзен-камені для фізиків. CNBS

Як камені входять у дзен?

У природі можна знайти безліч вражаючих структур, в яких камінь чи скеля стоять на тонкому постаменті: тонкі «шипи» скель, ерозійні стовпи, скелі-гриби, у яких основу розмило сильними вітрами і дощем, а також дзен-камені на замерзлих озерах, які стоять на тонких крижаних ніжках. Навіть в електроніці травлення металевих або напівпровідникових підкладок може сформувати подібні форми. І хоча ці структури розрізняються за своєю природою механізмів ерозії, часом формування (від днів для дзен-каменів до століть для скель) і розмірами (від сантиметрів до десятків метрів), отримані форми разюче схожі між собою.

Природні дзен-камені отримали свою назву завдяки японському мистецтву рівноваги каменів. Найчастіше їх можна знайти на озері Байкал, яке залишається в льодах приблизно п'ять місяців на рік. Рідкісність цього явища пояснюється тим, що досить складно знайти товсті (товщина льоду на Байкалі може доходити до метра), плоскі і не засніжені крижані поверхні, адже вони вимагають тривалих холодних і сухих погодних умов. Типове пояснення цьому явищу полягає у тому, що камінь нагрівається від Сонця, що розтоплює лід під ним, поки не залишиться тільки тонкий п'єдестал, що підтримує його. Ця ніжка з часом стає все тоншою, поки не обламається, і камінь не втратить свій баланс. Однак механізму на пояснення того, як лід під каменем залишається недоторканим і дозволяє каменю потрапити у дзен, вчені ще не знайшли.

«Байкальський дзен». O. Zima / Instagram 

Навіщо вчені тривожать камені у дзені?

Більшість природних структур, в яких матеріал формує собі п'єдестал, виникає через плавлення або механічне стирання. Однак відомо, що і сублімація льоду здатна формувати найрізноманітніші форми. Наприклад, на космічних тілах, де лід, причому як водяний, так і будь-який інший, присутній у вигляді інею, полярних шапок або у надрах. Можна виділити принаймні чотири групи форм рельєфу, що формуються кригою, незалежно від типу тіла: ямчаті структури, тріщини, смуги через нерівномірну сублімацію льоду або гострі снігові голки — «каяття снігів». Їх знаходили на Плутоні, Марсі, Церері, Сатурні, супутниках Юпітера і кометах.

На Землі обумовлений сублімацією льоду рельєф зустрічається досить рідко. Це кальгаспори чи «каяття снігів» у Центральних Андах або візерунки з багатокутників у Долині Маяка (Beacon Valley) в Антарктиді, викликані поєднанням сублімації і термічного стискання льоду. Однак у своїй статті пара фізиків з університету Ліона, у пошуках механізму формування крижаних постаментів для каменів, поповнили цей список. Використовуючи спостереження за байкальськими дзен-каменями і лабораторні експерименти з алюмінієвими і мідними дисками, вони довели, що досягти дзену їм допомагає саме процес сублімації льоду, який камені використовують на свою користь.

«Каяття снігів» у пустелі Атакама. ESO / B. Tafreshi / Wikimedia Commons

«Каяття снігів» у пустелі Атакама. ESO / B. Tafreshi / Wikimedia Commons

Як із тіні потрапити у дзен?

Поміщений на крижану поверхню камінь, отримує сонячне світло замість покритої їм ділянки льоду, що нагріває тепер його. Однак через щільний тепловий контакт з льодом, теплообміну з холодним повітрям і інфрачервоним випромінювання, яке камінь відбиває, його температура залишатиметься дуже близькою до тієї, що у криги під ним. Простіше кажучи, камінь діє як парасолька, під якою швидкість сублімації значно знижується. Фізики відтворили формування дзен-каменів на лабораторній експериментальній установці. Металеві диски, що імітують каміння, помістили на крижаний блок у камері ліофілізатора. У цьому апараті, що забезпечує контрольовану постійну швидкість сублімації, використовувалися диски різних матеріалів (мідь і алюміній), щоб виключити можливий вплив теплопровідності. Також дослідники імітували відносну ізотропію природного розсіяного сонячного світла у похмуру погоду. У природі процес зледеніння протікає досить повільно (кілька тижнів) і так забезпечує теплову рівновагу каменю.

В установці вчених через майже повну відсутність повітря у камері, камінь може перегрітися. Щоб звести до мінімуму цей незручний побічний ефект, використовувалися тонкі відполіровані диски з високою відбивною здатністю. Хоча точна морфологія п'єдесталів дещо відрізняється, їхні загальні форми дуже схожі. Той факт, що навіть для рифленого диска з'являється правильно сформований постамент, показує, що камінь діє як парасолька, захищаючи лід від зовнішніх випромінювань (розсіяне сонячне світло у природі та інфрачервоне випромінювання у ліофілізаторі) незалежно від своїх якостей. Одним з аспектів крижаних постаментів є їхня осесиметрична форма, яка може здатися нелогічною, враховуючи, що положення сонця на небі переважно орієнтоване на 20 градусів над горизонтом і на 60 градусів від півдня взимку. Це протиріччя пояснюється тим, що взимку типовий хмарний покрив розсіює сонячне світло, роблячи його більш ізотропним.

Лід є одним із найпоширеніших матеріалів на Землі та поза нею і досі активно досліджується у фізичних лабораторіях. Так нещодавно ми писали, як із криги вдалося виростити гнучкий, схожий на нитку, кристал, який зігнули, а той повернувся у початкову форму.

сублімація льоду
процес безпосереднього переходу води із твердої фази (льоду) у пароподібну, минаючи рідку