Тень замедлила сублимацию и сформировала ледяной пьедестал для дзен-камня

Французские физики выяснили, что дзен-камни на ледяной поверхности Байкала образуются в результате неравномерной сублимации: в тени, которую отбрасывает камень, уменьшается скорость испарения, из-за чего образуется ледяной пьедестал. Численное моделирование показало, что форма этого пьедестала зависит в первую очередь от формы основания камня, рассказывают авторы статьи в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

На Земле порой можно обнаружить необычные структуры — камни, которые возвышаются над горизонтальной поверхностью, опираясь на тонкую ножку. Образуются они в результате совершенно разных, хоть и родственных, процессов, в которых нижняя часть горной породы или льда удаляется из-под верхней. К примеру, в результате дождевой эрозии осадочных пород возникают эрозионные столбы, неравномерное таяние ледников под обломками скал приводит к появлению ледниковых столов, а обтачивание пород песчинками создает каменные грибы. Еще один пример таких нерукотворных структур — дзен-камни — небольшие камушки, возвышающиеся на узком ледяном столбике над замерзшей водой.

Природа возникновения дзен-камней долгое время была неясна. Однако уже сейчас понятно, что они не могут появляться в результате неравномерного таяния, деформации или механического обтачивания льда снегом. Во-первых, камень не может перегреваться на солнце из-за быстрого теплообмена со льдом, также давление камня на лед слишком мало, чтобы существенно изменить температуру плавления (что все равно не привело бы к образованию пьедестала). Во-вторых, для того, чтобы лед претерпел заметные пластические деформации под давлением камешка, потребовались бы годы, тогда как дзен-камни образуются за несколько дней. В-третьих, никаких следов механического износа на природных пьедесталах обнаружено не было, да и скорость обтачивания слишком мала, чтобы соответствовать реальным срокам образования структуры. Единственной правдоподобной причиной возникновения дзен-камней остается сублимация — испарение льда с поверхности без перехода в жидкое состояние.

Хотя на Земле и редки структуры, возникающие в процессе сублимации (к примеру снега кающихся в Андах), численное моделирование показывает, что сублимация может влиять как на формирование необычных ландшафтов планет и спутников, так и на формы комет. На Малом Море озера Байкал, где чаще всего можно встретить дзен-камни, также присутствуют благоприятные условия для испарения льда: в среднем пять месяцев в году температура воздуха остается ниже нуля, в связи с чем к концу зимы толщина льда достигает метра, относительная влажность длительное время не превышает 83 процентов, а ветры расчищают поверхность льда от снега, освобождая путь солнечному излучению, которое способствует сублимации со скоростью порядка двух миллиметров льда в день.

Чтобы доказать, что главную роль в образовании дзен-камней действительно играет сублимация, физики Николя Таберлета (Nicolas Taberleta) и Николя Плион (Nicolas Plihon) из Лионского университета экспериментально и численно воспроизвели процесс сублимации куска льда под камнями различных форм и свойств и сравнили морфологию получившихся пьедесталов между собой и тех, что были обнаружены на Байкале. Оказалось, что лежащий на льду камень создает тень для солнечного излучения, локально уменьшая скорость испарения. Более того, излучение камня в дальнем инфракрасном диапазоне усиливает испарение льда, образуя вокруг пьедестала неглубокую выемку.

Ученые проводили эксперимент в вакуумной камере лиофилизатора, стенки которой изотропно излучали в инфракрасном диапазоне, так что скорость сублимации была 8 миллиметров льда в день. Физики обнаружили, что металлические диски из алюминия и меди, теплопроводность которых отличается в два раза, образуют пьедесталы похожих форм — а это непосредственное свидетельство того, что теплопроводность существенно не влияет на формирование дзен-камней. Ученые также исследовали образование пьедестала под диском с фрезерованной поверхностью, у которого площадь контакта со льдом минимальна. Получившаяся ледяная структура мало отличалась от нефрезерованных дзен-камней, что подтверждает, что равномерной сублимации мешает не заграждение камнем пути для ухода частиц, а тень, отбрасываемая камнем. Как оказалось, давление образца на лед также не отражается на формировании пьедестала, поскольку как вмороженные в лед диски, так и покоящиеся на поверхности, образуют под собой похожие структуры льда (хотя в первом случае давление диска было гораздо меньше, чем во втором, из-за равномерного распределения веса).

Численное моделирование же позволило физикам убедиться, что именно сублимация приводит к образованию пьедесталов тех форм, что были обнаружены на Байкале. Как и ожидалось, форма пьедестала сильно зависит от формы камня: в частности, под камнями с плоским основанием всегда образуются столбики с перемычками, а под камнями с закругленным основанием — с пологими наклонными стенками. От конкретной же формы камня зависит время, за которое пьедестал достигает центра камня.

Ученые также не обошли стороной одну необычную особенность природных дзен-камней — на фото с Байкала вокруг основания пьедестала можно заметить углубление, повторяющее форму камня, но в немного увеличенном масштабе. По словам авторов, такие выемки могут образовываться в результате локально повышенной скорости сублимации, причиной которой может быть излучение черного тела, исходящего от камня при температуре от −20 до 0 градусов Цельсия. Это излучение обладает значительно меньшей мощностью, приходящейся на единицу площади, по сравнению с солнечным излучением, однако его суммарная энергия уже сопоставима с солнечной, а более высокая длина волны (порядка 10 микрометров) способствует лучшему поглощению излучения льдом. Таким образом, хотя излучение солнца остается первостепенным в формировании дзен-камней, чернотельное излучение камня вносит существенный вклад в морфологию пьедестала. Примечательно, что на фото и видео эксперимента углубления не видны (причины этого авторы не уточняют), однако они появляются в численном моделировании при добавлении излучения от камня.

По словам авторов статьи, понимание природы образования дзен-камней проливает свет на другие процессы неравномерной абляции ледяных тел. К примеру, неравномерная сублимация на ледяном спутнике Юпитера может угрожать стабильности посадочного модуля в миссии Europa Lander, что требует продолжения исследований в этой области. Также, по мнению физиков, эти исследования помогут изучению абляции загрязненных пластиком ледников, существованию которых нынче угрожает глобальное потепление.

К сожалению, сегодня загрязнение окружающей среды микропластиком является одной из самых острых экологических проблем. Помимо повышенной концентрации пластика в ледниках Антарктики и Арктики, его нашли в донных отложениях вблизи Антарктиды, а также в воздухе над Атлантическим океаном.

Елизавета Чистякова