Los investigadores finalmente explican el fenómeno de la ‘Piedra Zen’ y cómo podría afectar a los exploradores espaciales

Investigadores del Centro Nacional de Investigaciones de Francia (CNRS) y la Universidad Claude Bernard Lyon 11 están investigando los secretos del fenómeno de la “piedra zen”.

una reproducción de laboratorio del fenómeno de la piedra Zen en un liofilizador (liofilizador).
Créditos de las imágenes Nicolas Taberlet, Nicolas Plihon, (2021), PNAS.

No es raro ver piedras aparentemente colocadas sobre un pedestal de hielo en la superficie de los lagos helados. Contrariamente a todas las apariencias, se trata de un fenómeno natural, denominado “piedras Zen” por sus similitudes con el estilo japonés de decoración de jardines, o “Baikal Zen”, en honor al famoso lago siberiano.

Aunque teníamos teorías sobre su formación, que iban desde la “magia” hasta la “erosión eólica”, nunca supimos con certeza por qué sucedió esto. El estudio, ahora, informa que todo se reduce a la sublimación, el proceso por el cual un sólido se convierte en gas sin convertirse en un líquido intermedio.

Naturalmente zen

“No hay una aplicación directa a nuestro trabajo. Simplemente la satisfacción de haber entendido algo nuevo ”, dijo a ZME Science en un correo electrónico el Dr. Nicholas Taberlet, físico de la Universidad de Lyon y primer autor del estudio. “Sin embargo, nuestros resultados pueden ser útiles para misiones de exploración espacial. Por ejemplo, la NASA planea enviar un módulo de aterrizaje a Europa, que está cubierta de hielo. Es importante darse cuenta de que el rover evitará que el hielo se sublime debajo y planificar la misión en consecuencia “.

El lago Baikal, en Siberia, está particularmente asociado con este fenómeno. Como el lago de agua dulce más grande, profundo y quizás más limpio del mundo, así como uno en una extensión muy gélida del globo, las condiciones aquí son propicias para que se formen pedestales de hielo. El primer requisito para este fenómeno es que una piedra se aloje en el hielo. Esto no es raro en lugares como Baikal, cuya superficie se congela durante un largo período cada año (alrededor de 5 meses / año). Dicho esto, sin embargo, es un fenómeno muy raro a escala global, razón por la cual los pedestales de hielo están tan fuertemente asociados con este lago.

Según los hallazgos, los procesos físicos que gobiernan este fenómeno pueden actuar prácticamente en cualquier lugar, incluso, como mencionó el Dr. Taberlet, en el espacio exterior. Todo lo que se necesita son las condiciones ambientales adecuadas. La formación de pedestales de hielo es relativamente rara a escala mundial porque requiere “capas de hielo gruesas, planas y sin nieve” que se forman sólo en “condiciones de clima frío y seco de larga duración”. Simplemente no hay muchos lugares en la Tierra que satisfagan esas condiciones.

El equipo explica que la formación de un pedestal de hielo comienza con una piedra que inicialmente “descansa directamente sobre una superficie plana de hielo”. Sin embargo, con el tiempo, este hielo se erosiona gradualmente para crear la forma final y esbelta. El mecanismo exacto que protege el hielo debajo de la piedra, formando así el pedestal, seguía siendo desconocido. El objetivo de este trabajo fue determinar cuál es este mecanismo.

Hasta ahora, nuestra mejor conjetura sobre lo que estaba sucediendo era el derretimiento directo del hielo debajo de la piedra. Pero realmente no encajaba con lo que estábamos viendo en el campo. El agua líquida promueve la fusión del hielo a su alrededor. Dado que los líquidos se acumulan, un pequeño charco que se forma debajo de las piedras no podría crear una forma similar a un pedestal: derretiría todo el hielo a la misma velocidad, creando una forma cóncava aproximadamente uniforme. Además, realmente no tenía sentido que el hielo debajo de las piedras se derritiera más rápido que el resto, ya que la piedra en sí debería bloquear la luz solar, actuando esencialmente como un paraguas que proporciona sombra a su alrededor. Se podría argumentar que la piedra se calentó bajo la luz del sol, lo que promovería el derretimiento, pero eso también derretiría el pedestal, no crearía los patrones ondulados que se ven en el campo.

El principal avance del estudio se produjo cuando el equipo se dio cuenta de que “el hielo se estaba sublimando (y no derritiéndose)” y que este efecto fue causado directamente por la sombra proyectada por la piedra.

La sublimación es el proceso mediante el cual un sólido se convierte directamente en gas, sin convertirse en líquido en el medio. La naftalina (bolas de naftalina) es un muy buen ejemplo de sublimación en el trabajo. El hielo seco y los ambientadores para automóviles también se basan en la sublimación.

A través de una serie de experimentos de laboratorio y modelos matemáticos, el equipo demostró que las piedras actúan como paraguas, evitando que la luz solar llegue al hielo debajo de ellas. Sin embargo, al mismo tiempo, debido a los movimientos del Sol en el cielo y la dispersión de la luz en la atmósfera, solo brindan sombra completa y permanente a un área pequeña en el medio; esto se convertirá en el pedestal.

Un hallazgo muy interesante es que, aunque las piedras bloquean la energía infrarroja (es decir, el calor) de la luz solar para que no llegue al hielo, también son las que hacen que se formen las caídas a su alrededor. A medida que estas piedras se calientan, emiten a su vez radiación infrarroja (esto se conoce como radiación de cuerpo negro). En el área alrededor de la piedra, el hielo se calienta mediante ondas infrarrojas de la luz del sol y las piedras al mismo tiempo, lo que hace que se derrita incluso más rápido que el hielo expuesto. Pero la radiación emitida por la piedra no es particularmente poderosa y no es suficiente para derretir el hielo del pedestal por sí sola.

Vinculadas a la combinación única de condiciones ambientales en el sitio (niveles sostenidos, de muy baja temperatura y humedad), que promueven la sublimación del hielo en lugar de derretirse, estas interacciones conducen a la creación de patrones ondulados y pedestal de hielo debajo de las piedras del Baikal. lago.

El equipo usó piedras y discos de una variedad de dimensiones y materiales (para tener en cuenta una gama más amplia de propiedades físicas), y encontró que los pedestales de hielo se forman en gran medida independientemente de estas propiedades.

Si bien las condiciones necesarias para que este proceso tenga lugar son bastante raras en la Tierra, serían muy, muy comunes en planetas sin atmósfera o con atmósferas muy secas. Como señaló el Dr. Taberlet, comprender cómo un rover podría promover la sublimación del hielo debajo de él podría evitar situaciones vergonzosas y muy terribles para nuestros futuros exploradores.

El artículo “Morfogénesis de piedras zen sobre superficies de hielo impulsada por sublimación” ha sido publicado en el diario PNAS.