Uma reprodução de laboratório do fenômeno da pedra zen em um liofilizador.
Prolongar / Uma reprodução de laboratório do fenômeno da pedra zen em um liofilizador.

Nicolas Taberlet / Nicolas Plihon

Se você visitar o Pequeno Mar do Lago Baikal na Rússia no inverno, provavelmente verá um fenômeno incomum: uma rocha plana equilibrada em um pedestal de gelo fino, semelhante ao empilhamento de pedras zen comuns nos jardins japoneses. O fenômeno às vezes é chamado de Formação Zen Baikal. A explicação típica para a formação dessas formações é que a rocha captura a luz (e o calor) do sol, derretendo assim o gelo abaixo até que haja apenas uma base fina para sustentá-lo. A água sob a rocha congela novamente à noite, e foi sugerido que o vento também pode desempenhar um papel.

Agora, de acordo com um novo artigo publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences, dois físicos franceses acreditam que resolveram o mistério de como essas estruturas surgiram – e sua solução não tem nada a ver com a condução térmica da pedra. Em vez disso, eles atribuem a formação a um fenômeno conhecido como sublimação, no qual a neve ou o gelo evaporam diretamente em vapor sem passar por uma fase aquosa. Em particular, a sombra que a pedra fornece dificulta as taxas de sublimação do gelo circundante em seu entorno, enquanto o gelo mais distante sublima mais rapidamente.

Muitas formações semelhantes ocorrem naturalmente na natureza, como Hoodoos (estruturas altas e finas que se formam na rocha sedimentar ao longo de milhões de anos), Rochas de cogumelo ou pedestal de rocha (a base foi erodida por fortes ventos empoeirados) e mesas de geleira (uma grande pedra que fica precariamente em um pedestal de gelo estreito). Mas os mecanismos subjacentes pelos quais eles surgem podem variar amplamente.

Por exemplo como relatamos ano passadouma equipe de matemáticos aplicados da Universidade de Nova York examinou as chamadas “florestas de pedra” encontradas em certas regiões da China e Madagascar. Essas formações rochosas pontiagudas, como as famosas Floresta de pedra na província de Yunnan, na China, são o resultado da dissolução de sólidos em líquidos na presença da gravidade, criando correntes de convecção naturais.

Na superfície, essas florestas de pedra se parecem muito com “Penitente“: colunas de gelo cobertas de neve que se formam no ar muito seco encontradas no alto das geleiras andinas. Charles Darwin descreveu Penitentes em 1839 durante uma excursão em março de 1835 a caminho de Santiago, Chile Penitentes cobriu campos de neve forçou a cidade argentina de Mendoza Crie um novo versões artificiais de penitentes em laboratório. Mas os penitentes e os bosques de pedras diferem nos mecanismos de sua formação. As pontas de uma floresta de pedras são esculpidas por rios que não desempenham um papel importante na formação dos penitentes.

Alguns físicos tem sugerido esses penitentes forma se A luz solar evapora a neve diretamente em vapor (sublimação). Pequenos sulcos e cavidades se formam, prendendo a luz do sol neles, criando calor extra que cria cavidades ainda mais profundas, e essas superfícies curvas, por sua vez, agem como uma lente que acelera o processo de sublimação. UMA Proposta alternativa adiciona um mecanismo adicional para explicar o espaçamento fixo estranhamente periódico dos penitentes: uma combinação de difusão de vapor e transporte de calor que cria um gradiente de temperatura acentuado e, portanto, uma taxa mais alta de sublimação.

Pedras Zen na natureza, no Mar Pequeno do Lago Baikal (a, b);  no laboratório (c);  e em simulações numéricas (d).  (a) Foto de O. Zima.  (b) Foto de A. Yanarev.
Prolongar / Pedras Zen na natureza, no Mar Pequeno do Lago Baikal (a, b); no laboratório (c); e em simulações numéricas (d). (a) Foto de O. Zima. (b) Foto de A. Yanarev.

Nicolas Taberlet / Nicolas Plihon

No caso das formações rochosas Baikal Zen, o processo parece ser semelhante à hipótese de sublimação para Penitentes, de acordo com os coautores Nicolas Taberlet e Nicolas Plihon do CNRS em Lyon, França. No início deste mês eles fizeram publicou um estudo um tanto relacionado em Physical Review Letters on the natural form of glacier tablets (uma rocha sustentada por uma fina coluna de gelo). Eles foram capazes de fazer comprimidos glaciais artificiais em pequena escala em um ambiente controlado e encontraram dois efeitos concorrentes que controlam o início da formação de comprimidos glaciais.

No caso de calotas de pedra menores com maior condutividade térmica, um aumento geométrico no fluxo de calor faz com que a calota afunde no gelo. No caso de uma tampa maior com menor condutividade térmica, ocorre uma redução no fluxo de calor porque a tampa tem uma temperatura mais alta do que o gelo circundante e forma uma mesa.

Para este último estudo, Taberlet e Plihon se propuseram a explorar os mecanismos subjacentes por trás da formação natural das estruturas Baikal Zen. “A raridade do fenômeno decorre da raridade de camadas de gelo espessas, planas e sem neve que requerem condições de clima frio e seco de longo prazo”, escrevem os autores. “Os registros meteorológicos mostram que o derretimento do gelo é praticamente impossível e, em vez disso, as condições climáticas (vento, temperatura e umidade relativa) favorecem a sublimação que há muito é característica da região do Lago Baikal.”

Assim, os pesquisadores se propuseram a reproduzir o fenômeno em laboratório para testar suas hipóteses. Eles usaram discos de metal como análogos experimentais das pedras e os colocaram na superfície de blocos de gelo em um liofilizador comercial. O dispositivo congela o material, reduz a pressão e adiciona calor, fazendo com que a água congelada sublime. A maior refletividade dos discos de metal em comparação com as pedras evitou o superaquecimento dos discos nas câmaras do liofilizador.

Extraterrestres

Os discos de alumínio e cobre criaram as formações Baikal Zen, embora o cobre tenha quase o dobro da condutividade térmica do alumínio. Os autores concluíram que as propriedades térmicas das pedras não foram, portanto, um fator decisivo no processo. “Longe da pedra, a taxa de sublimação é determinada pela luz difusa do sol, enquanto a sombra que ela cria em seu entorno inibe o processo de sublimação”, escrevem os autores. “Mostramos que a pedra funciona apenas como uma tela, cuja sombra dificulta a sublimação e, assim, protege o gelo de baixo, que leva à formação da base”.

Isso foi então confirmado por simulações de modelos numéricos. Taberlet e Plihon também descobriram que o mergulho ou depressão em torno do pedestal é o resultado da radiação infravermelha emitida pela própria pedra (ou disco), aumentando a taxa geral de sublimação em seus arredores.

É bem diferente do processo que leva às tabuletas glaciais, apesar da forma semelhante das duas formações. No caso de tabelas glaciares, o efeito guarda-chuva é apenas um fator secundário no mecanismo subjacente. “Comprimidos de geleira aparecem em geleiras baixas quando as condições climáticas fazem o gelo derreter em vez de sublimar”, escrevem os autores. “Eles se formam no ar quente, enquanto o gelo permanece a 0 graus Celsius, enquanto as pedras zen se formam no ar mais frio do que o gelo.”

Entender como essas formações ocorrem naturalmente pode nos ajudar a aprender mais sobre outros objetos do universo, já que a sublimação do gelo trouxe Penitentes em Plutão e a formação da paisagem em Marte, Plutão, Ceres, as luas de Júpiter, as luas de Saturno e influenciou vários cometas. “Na verdade, o projeto Europa-Lander da NASA visa procurar bioassinaturas na lua coberta de gelo de Júpiter, na superfície da qual a sublimação diferencial pode ameaçar a estabilidade das sondas, e isso precisa ser totalmente compreendido”, concluíram os autores.

DOI: PNAS, 2021. 10.1073 / pnas.2109107118 (Sobre DOIs)

By Gabriel Ana

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