Ein Zen-Stein am Baikalsee. (Taberlet & Plihon, PNAS, 2021, mit freundlicher Genehmigung von Stas Tolstnev) Auf der gefrorenen Oberfläche des Baikalsees in Sibirien macht die Natur Kunst.
Dort, auf dem zugefrorenen See, balancieren Steine auf schmalen Eissockeln in flachen Hohlräumen, als wären sie sorgfältig geformt und platziert. Diese werden „Zen-Steine“ genannt, und Wissenschaftler haben endlich herausgefunden, wie diese Formationen entstehen – indem sie das Phänomen im Labor reproduziert haben.
Wie Physiker herausgefunden haben, fungiert der Stein als eine Art Regenschirm, der nur eine kleine Eissäule vor Sonnenstrahlung schützt und verhindert, dass sie sublimiert, was zu einer dünnen Eisstruktur führt, die den Stein trägt.
Darüber hinaus erzeugt die Ferninfrarot-Schwarzkörperstrahlung des Steins selbst die Untiefen Depression um den Fuß der Säule herum.
„Zen-Steine sind faszinierende natürliche Strukturen, die aus einem Stein bestehen, der auf einem schlanken Eissockel steht und dessen Ursprung lange Zeit missverstanden wurde“, sagen die Physiker Nicolas Taberlet und Nicolas Plihon vom französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung in Frankreich erklären in ihrer neuen Studie.
„Wir zeigen, dass sie durch eine Variation in der Sublimationsrate des umgebenden Eises verursacht werden, was zur langsamen Bildung eines Sockels führt, was zu den sehr wenigen Berichten über eine durch Sublimation verursachte Musterbildung beiträgt.“
„Das Verständnis dieses Prozesses wirft Licht auf andere unterschiedliche Ablationsprozesse, die auf Eisoberflächen auftreten, wie zum Beispiel schuttbedeckte Gletscher, deren Existenz durch die globale Erwärmung bedroht ist, und eisige Körper im Weltraum.“
Zen-Steine in der Natur und das Experiment des Teams. (Taberlet & Plihon, PNAS, 2021)
Zen-Steine sehen unglaublich schön aus, was zu viralem Teilen mit Bildbeiträgen auf beliebten Websites geführt hat zuschreiben das Phänomen zu Winderosion .
Allerdings weisen diese Formationen, wie Taberlet und Plihon anmerken, keine Anzeichen der mechanischen Abnutzung auf, die mit der Ablation durch den Wind einhergehen würde; und Zen-Steine können sogar in Höhlen gefunden werden, was einen gewissen Schutz vor den Elementen bietet.
Die Forscher versuchten, die Entstehungsmechanismen dieser Eissockel zu erforschen, indem sie den Prozess in einer Vakuumkammer in einem Labor nachstellten. Eine den Stein darstellende Aluminiumscheibe wurde auf einen Eisblock gelegt, der dann unter der infraroten Schwarzkörperstrahlung der Kammerwände sublimierte.
Ohne eine Aluminiumscheibe sublimierte das Eis isotrop (gleichmäßig) und ahmte die Isotropie diffusen Sonnenlichts an einem bewölkten Tag nach. Als die Scheibe auf das Eis gelegt wurde, beobachteten die Forscher die Bildung eines Sockels, allerdings mit bewusst beschleunigter Geschwindigkeit – in der Natur kann der Entstehungsprozess mehrere Wochen dauern.
Im Labor entsteht ein „Zen-Stein“. (Taberlet & Plihon, PNAS, 2021)
Anschließend verwendeten sie numerische Modelle, um zu verstehen, was vor sich ging. Dabei zeigte sich, dass diffuse Sonnenstrahlung die Oberfläche des Eises sublimiert – das heißt, sie direkt in Dampf umwandelt und dabei den flüssigen Zustand umgeht.
Allerdings führt das Vorhandensein des Gesteins zu einer ungleichmäßigen Sublimationsgeschwindigkeit. Das Gestein fungiert als eine Art Regenschirm und sorgt dafür, dass die dünne Säule, die am meisten vor der Strahlung geschützt ist, zuletzt sublimiert.
Etwas verwirrender war der Hohlraum am Fuß der Säule, der, wie die Wissenschaftler feststellten, der Form des Gesteins entsprach. Taberlet und Plihon konnten jedoch zeigen, dass diese durch ferninfrarote Schwarzkörperstrahlung geformt werden, die vom Stein selbst emittiert wird und im Temperaturbereich von -20 bis 0 Grad Celsius emittiert.
„Während der Schirmeffekt in Bezug auf die Gesamtdynamik von Zen-Steinen dominant ist, ist das vom Stein emittierte Ferninfrarot ein notwendiger sekundärer Effekt, der das erzeugt.“ Depression den Sockel umgebend,‘ Sie schreiben in ihre Arbeit .
Dies unterscheidet sich laut den Forschern stark von der Bildung einer sehr ähnlich geformten, aber viel größeren natürlichen Struktur – Gletschertische . Diese entstehen, wenn direktes Sonnenlicht das Eis um einen großen Felsen schmilzt und ein Objekt entsteht, das einem Tisch sehr ähnlich sieht.
„Gletschertische entstehen, weil das Gestein als Wärmeisolator wirken kann und daher ihre thermischen Eigenschaften (Leitfähigkeit und spezifische Wärme) entscheidend sind.“ „Für Zen-Steine ist die Schlussfolgerung genau das Gegenteil, wie unsere Experimente zeigen“, erklären die Forscher .
„Da außerdem die Wärmeleitung innerhalb von Gletscherplatten von entscheidender Bedeutung ist, gibt es eine Mindestdicke (die vom Material abhängt), unterhalb derer der Stein tief in das Eis einsinkt, anstatt eine Platte zu bilden.“ Dieses Regime kann unter den Bedingungen, unter denen sich Zen-Steine bilden, nicht eingehalten werden, und selbst ein sehr dünner Stein führt zu einem Eissockel.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in PNAS .