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冬日绝景鹅卵石为什么会悬浮在冰面上?

  在冬日的贝加尔湖上,人们可以看到一种有趣的稀有景色:在冻结的湖面上,一些扁平的鹅卵石稳稳地立在细小的冰柱之上,仿佛是用了什么悬浮之术。
  (图片来源:Olga Zima)
  这种现象常被称为"禅石"(Zen stone),因为它让人联想到了日式庭院中摆放的装饰石块。它在自然界并不常见,主要的观察记录都来自俄罗斯的贝加尔湖。"禅石"需要长时间寒冷与干燥的环境来形成,而且要求冻结的冰面上没有积雪覆盖。
  最近才发现,去年有一篇论文已经详细地解释了这种神秘现象出现的原因。在过去,人们曾有猜测,说可能是石头被阳光照射后造成了周围冰面的融化,但这项研究确定了事实并非如此。这其实是一个纯粹由冰的升华造成的现象,石头的存在影响了冰面升华的速率。
  (图片来源:A. Yantarev )
  在适宜的条件下,冰可以直接从固态升华变成水蒸气,这个过程需要从外界吸收热量。让冰面升华的主要能量来源是阳光,而冰面上存在的石头会像伞一样遮挡太阳的辐射,使石头下方的冰升华变慢。周围的冰面随着升华降低,石头正下方升华受阻的部分就会凸显出来,变成一条冰柱。
  研究者用冻干机进行实验,再现了这个过程。和湖面的情况相似,冻干机中的冰块在低温、低压的环境下,吸收热辐射逐渐升华。为让实验条件更可控,他们用金属圆片替代了鹅卵石。
  下面的动图是28小时延时拍摄的实验结果,圆片的下方形成了与禅石相似的冰柱。冰柱越来越细,最终会变得无法支撑上方的金属片。
  除了纤细的冰柱之外,"禅石"还有一个特性,就是石头正下方的冰面最终会变得比周围更低一点,形成一个大小与石头相似的凹陷。
  (图片来源:Stas Tolstnev )
  论文作者指出,这是因为被太阳晒热的石头也会释放热辐射,这部分辐射虽然比阳光的能量少很多,但依然会在局部影响冰升华的速率。
  确定一种自然现象的原因真让人很开心~
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