Las «Piedras Zen» del lago Baikal finalmente se explican

¿Alguna vez ha sucumbido al placer de arrojar una piedra a un lago helado con la esperanza de romper la capa de hielo? A orillas del lago Baikal, ubicado en Siberia, cualquier intento está condenado al fracaso, pues el hielo en los meses de invierno alcanza un espesor de uno a tres metros.

Con el tiempo, sin embargo, la decepción inicial puede convertirse en asombro cuando las condiciones climáticas son favorables: una piedra que inicialmente descansa sobre la superficie helada se encuentra en delicado equilibrio sobre una base de hielo. Este raro fenómeno, llamado «piedras zen», en referencia a los jardines japoneses con montones equilibrados de guijarros, ha permanecido hasta ahora sin explicación.

El espesor del hielo cambia durante el invierno: puede crecer en la parte inferior (cuando el agua del lago se congela), pero también disminuye en la parte superior. Si en Europa occidental esta disminución se debe al derretimiento, entonces las condiciones meteorológicas de la región del lago Baikal llevan al hielo a la «sublimación». Este cambio de estado del agua, inusual en la vida cotidiana, hace que el hielo se evapore directamente a la atmósfera sin pasar por su fase líquida. La acumulación de hielo en el lago Baikal conduce a tasas de desarraigo de unos pocos milímetros por día desde la parte superior del lago.

nuestro trabajo Yo mostré La formación de piedras cenitales se debe a la ablación diferencial del hielo, lo que significa que hay una diferencia en la velocidad de sublimación (y, por lo tanto, de erosión) debajo del guijarro y lejos del guijarro. La superficie superior del hielo se contrae constantemente en todo el lago, pero este proceso, que necesita la luz del día, se ve obstaculizado por la presencia de un guijarro cuya sombra crea un déficit en el aporte de energía solar.

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Así, contrariamente a la creencia popular, el pie empuja debajo del guijarro, protegiendo este último el hielo sobre el que descansa, mientras desciende el resto de la superficie helada del lago. Este proceso es similar a dar forma chimeneas de hadasdonde la roca sólida protege una columna de sedimento menos resistente a la erosión por lluvia y aguanieve.

Lago Baikal en el laboratorio

Reproducimos a pequeña escala la formación de piedras zen en el laboratorio utilizando un «liofilizador». Este dispositivo tiene una cámara sellada en la que la baja presión y la temperatura hacen que el hielo se sublime.

Un cilindro de metal de unos pocos centímetros de largo colocado inicialmente sobre un bloque de hielo se encuentra pocas horas después sobre una base delicada. Elegimos usar minerales porque sus propiedades térmicas (conductividad, capacidad calorífica y emisividad) son bien conocidas, pero el experimento de laboratorio también funciona con un disco de piedra natural.

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Este dispositivo nos ha permitido confirmar el mecanismo de formación de las piedras Zen en el entorno natural, pero también probar las diferentes formaciones, rápida y repetidamente gracias a una tasa de sublimación casi diez veces más rápida en el laboratorio. La presencia de depresión observada bajo grava normal se debe a un efecto sutil ausente en nuestros experimentos de laboratorio.

De hecho, el guijarro (al igual que el hielo) tiene una temperatura superior al cero absoluto y, por lo tanto, emite radiación electromagnética. Pero, mientras que la radiación solar se emite principalmente en longitudes de onda visibles, la que proviene del guijarro es máxima en el infrarrojo lejano, para longitudes de onda de alrededor de 10 micrómetros. En nuestros experimentos, el disco de metal y el hielo están a la misma temperatura y sus emisiones en el rango infrarrojo se compensan entre sí. Por el contrario, en el lago Baikal, la temperatura del guijarro puede ser superior a la temperatura del hielo, durante parte del día. Así, esta fuente adicional de energía acelera el proceso de sublimación cerca del guijarro y provoca una depresión que sigue la circunferencia de la piedra.

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Las piedras zen son un fenómeno tan raro como efímero. De hecho, el proceso de sublimación, incluso si se ralentiza considerablemente debajo de la piedra, hace que el pie se vuelva indefinidamente más delgado hasta que el guijarro se cae. Estas estructuras en el lago Baikal tienen dos o tres semanas de antigüedad y solo unas pocas tienen la suerte de presenciar este espectáculo.

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