ربما يكون الفيزيائيون قد اكتشفوا حالة حجارة “الزن” المتوازنة على قواعد جليدية.

قم بزيارة البحر الصغير لبحيرة بايكال في روسيا خلال فصل الشتاء ، ومن المحتمل أن ترى ظاهرة غير عادية: صخرة مسطحة متوازنة على قاعدة رقيقة من الجليد ، تشبه كومة من أحجار الزن الشائعة في الحدائق اليابانية. يشار إلى هذه الظاهرة أحيانًا باسم تدريب بايكال زين. التفسير النموذجي لكيفية حدوث هذه التكوينات هو أن الصخور تلتقط الضوء (والحرارة) من الشمس وهذا يذوب الجليد أدناه حتى تبقى قاعدة رفيعة فقط لدعمها. يتجدد الماء تحت الصخر ليلاً ، وقد اقترح أن الرياح قد تكون عاملاً أيضًا.

الآن ، يعتقد اثنان من علماء الفيزياء الفرنسيين أنهما قد حلا لغز كيفية تشكل هذه الهياكل ، وفقًا لمقال جديد نُشر في Proceedings of the National Academy of Sciences – ولا علاقة لحلهما بالتوصيل الحراري للحجر. بدلاً من ذلك ، يعزون التكوين إلى ظاهرة تُعرف باسم التسامي ، حيث يتبخر الثلج أو الجليد مباشرة إلى بخار دون المرور عبر مرحلة مائية. بشكل ملموس ، فإن الظل الذي يلقيه الحجر يعيق معدلات التسامي للجليد المحيط في المنطقة المجاورة له ، بينما يتسامى الجليد الأبعد بمعدل أسرع.

تحدث العديد من التكوينات المماثلة بشكل طبيعي في الطبيعة ، مثل أغطية الرأس (الهياكل الطويلة الشبيهة بالخيوط التي تشكلت على مدى ملايين السنين في الصخور الرسوبية) ، صخور الفطر أو حجر الأساس (تآكلت القاعدة بفعل الرياح القوية المغبرة) وطاولات الأنهار الجليدية (حجر كبير يجلس بشكل غير مستقر فوق وسادة جليدية ضيقة). لكن الآليات الأساسية التي يتم تشكيلها من خلالها يمكن أن تكون مختلفة تمامًا.

على سبيل المثال ، مثل أبلغنا العام الماضيقام فريق من علماء الرياضيات التطبيقية من جامعة نيويورك بدراسة “الغابات الحجرية” الشائعة في أجزاء من الصين ومدغشقر. هذه التكوينات الصخرية الحادة مثل الشهيرة غابة الحجر في مقاطعة يونان الصينية ، نتيجة لانحلال المواد الصلبة في السوائل في وجود الجاذبية ، مما ينتج عنه تدفقات الحمل الحراري الطبيعي.

على السطح ، تبدو هذه الغابات الحجرية تمامًا مثل “التائبين“: تم العثور على أعمدة جليدية مغطاة بالثلوج تتشكل في هواء جاف للغاية في أعالي الأنهار الجليدية في جبال الأنديز. وصف تشارلز داروين التائبين في عام 1839 في رحلة استكشافية في مارس 1835 شق خلالها طريقه عبر حقول الثلج المغطاة بالتائبين في الطريق من سانتياغو ، تشيلي ، إلى مدينة ميندوزا الأرجنتينية. إعادة النسخ الاصطناعية من التائبين في المختبر. لكن التائبين والغابات الحجرية مختلفة تمامًا في الواقع من حيث الآليات المشاركة في تكوينها. يتم نحت نقاط الغابة الحجرية بواسطة التدفقات التي لا تلعب دورًا كبيرًا في تدريب التائبين.

بعض الفيزيائيين اقترحت أن التائبين شكل متى يبخر ضوء الشمس الثلج مباشرة إلى بخار (تسامي). تتشكل الحواف والأحواض الصغيرة ويحتجز ضوء الشمس فيها ، مما يخلق حرارة إضافية تحفر حتى أحواض أعمق ، وهذه الأسطح المنحنية بدورها تعمل كعدسة ، مما يسرع عملية التسامي بشكل أكبر. أ اقتراح بديل يضيف آلية إضافية لحساب التباعد الدوري الغريب للتائبين: مزيج من انتشار البخار ونقل الحرارة ينتج عنه تدرج شديد الانحدار في درجة الحرارة ، وبالتالي ، معدل تسامي أعلى.

في حالة تشكيلات بايكال زن الصخرية ، تبدو العملية مشابهة لفرضية التسامي للتائبين ، وفقًا للمؤلفين المشاركين نيكولاس تابيرليت ونيكولاس بليهون من CNRS في ليون ، فرنسا. في وقت سابق من هذا الشهر ، هم نشرت دراسة ذات صلة إلى حد ما في رسائل المراجعة الفيزيائية عن التكوين الطبيعي للجداول الجليدية (صخرة مدعومة بعمود رقيق من الجليد). لقد تمكنوا من إنتاج طاولات جليدية اصطناعية صغيرة الحجم في بيئة خاضعة للرقابة واكتشفوا تأثيرين متنافسين يتحكمان في بداية تكوين الجدول الجليدي.

مع الأغطية الحجرية الأصغر ذات الموصلية الحرارية العالية ، يؤدي التضخيم الهندسي لتدفق الحرارة إلى غرق الغطاء في الجليد. بالنسبة لغطاء أكبر مع توصيل حراري أقل ، يأتي انخفاض تدفق الحرارة من حقيقة أن الغطاء يتمتع بدرجة حرارة أعلى من الجليد المحيط به ، مما يشكل طاولة.

في هذه الدراسة الأخيرة ، أراد Taberlet و Plihon استكشاف الآليات الكامنة وراء التكوين الطبيعي لهياكل Baikal Zen. كتب المؤلفون: “تنبع ندرة هذه الظاهرة من ندرة الصفائح الجليدية السميكة والمسطحة التي لا تساقط الثلوج ، والتي تتطلب ظروفًا مناخية باردة وجافة طويلة الأمد”. “تظهر سجلات الطقس أن ذوبان الجليد يكاد يكون مستحيلاً ، وبدلاً من ذلك ، فإن الظروف الجوية (الرياح ودرجة الحرارة والرطوبة النسبية) تفضل التسامي ، المعروف منذ فترة طويلة بأنه من سمات منطقة بحيرة بايكال.”

لذلك حاول الباحثون إعادة إنتاج الظاهرة في المختبر لاختبار فرضيتهم. استخدموا الأقراص المعدنية كنظائر حجرية تجريبية ، ووضعوا الأقراص على سطح كتل الجليد في مجفف تجميد تجاري. تقوم الأداة بتجميد المادة ، ثم تقلل الضغط وتضيف الحرارة ، بحيث يسخن الماء المجمد. منع الانعكاس العالي للأقراص المعدنية مقارنة بالحجارة من ارتفاع درجة حرارة الأقراص في غرف التجميد والمجفف.

خارج الأرض

أنتجت كل من أقراص الألمنيوم والنحاس تكوينات بايكال زن ، على الرغم من أن النحاس لديه ما يقرب من ضعف الموصلية الحرارية للألمنيوم. خلص المؤلفون إلى أن الخصائص الحرارية للحجر لم تكن عاملاً حاسمًا في هذه العملية. كتب المؤلفون: “بعيدًا عن الحجر ، يخضع معدل التسامي لأشعة الشمس المنتشرة ، بينما يعيق الظل الذي يخلقه في جواره عملية التسامي”. “نظهر أن الحجر يعمل فقط كمظلة ، يتداخل ظلها مع التسامي ، وبالتالي حماية الجليد أدناه ، مما يؤدي إلى تكوين القاعدة”.

ثم تم تأكيد ذلك من خلال محاكاة النمذجة العددية. وجد Taberlet و Plihon أيضًا أن التجويف أو المنخفض المحيط بالقاعدة ناتج عن الأشعة تحت الحمراء البعيدة المنبعثة من الحجر (أو القرص) نفسه ، مما يحسن معدل التسامي الكلي القريب.

هذا يختلف تمامًا عن العملية التي تؤدي إلى جداول الجليد ، على الرغم من الشكل المتشابه للتكوينين. في حالة الجداول الجليدية ، فإن تأثير المظلة ليس سوى عامل ثانوي في الآلية الأساسية. كتب المؤلفون: “تظهر الجداول الجليدية على الأنهار الجليدية المنخفضة الارتفاع عندما تذوب الأحوال الجوية الجليد بدلاً من تسامحه”. “تتشكل في الهواء الساخن بينما يبقى الجليد عند درجة 0 مئوية ، بينما تتشكل أحجار الزن في الهواء أكثر برودة من الجليد.”

يمكن أن يساعدنا فهم كيفية حدوث هذه التكوينات بشكل طبيعي في معرفة المزيد عن الأشياء الأخرى في الكون ، حيث أدى تسامي الجليد إلى إنتاج التائبين على بلوتو وأثر على تكوين المناظر الطبيعية على المريخ ، وبلوتو ، وسيريس ، وأقمار المشتري ، وأقمار زحل. والعديد من المذنبات. وخلص الباحثون إلى أنه “في الواقع ، يهدف مشروع Europa Lander التابع لناسا إلى البحث عن البصمات الحيوية على القمر المغطى بالجليد لكوكب المشتري ، والذي يمكن أن يهدد التسامي التفاضلي على سطحه استقرار المسبار ، ويجب فهم ذلك تمامًا”.

DOI: PNAS ، 2021. 10.1073 / pnas.2109107118 (حول DOIs).