Las «piedras zen» del lago Baikal finalmente explicadas

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

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

Durante el invierno, el espesor del hielo varía: puede crecer en la parte inferior (cuando el agua del lago se congela), pero también se adelgaza en la parte superior. Si en Europa Occidental esta disminución se debe al derretimiento, las condiciones meteorológicas particulares de la región del lago Baikal hacen que el hielo se “sublima”. Este cambio de estado del agua, inusual en la vida cotidiana, hace que el hielo se vaporice directamente a la atmósfera sin pasar por su fase líquida. El hielo del lago Baikal se sublima y conduce a tasas de ablación de unos pocos milímetros por día desde la parte superior del lago.

Nuestro trabajo mostró que la formación de piedras Zen se debe a la ablación diferencial del hielo, es decir, una disparidad en su tasa de sublimación (y por lo tanto erosión) bajo el guijarro y lejos del guijarro. La superficie superior del hielo se encoge constantemente a lo largo del 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. 🇧🇷

Así, contrariamente a la creencia común de que el pie empuja debajo de la roca, la roca protege el hielo sobre el que descansa, mientras que el resto de la superficie del lago helado se hunde. Este proceso es análogo a la formación de chimeneas de hadaspor lo que una roca sólida protege una columna de sedimentos menos resistente a la erosión por lluvias y heladas.

Lago Baikal en el laboratorio

Reproducimos la formación de piedras Zen en el laboratorio a pequeña escala utilizando un “liofilizador”. Este dispositivo contiene una cámara hermética en la que la baja presión y temperatura provocan la sublimación del hielo.

Un cilindro de metal de unos pocos centímetros, colocado inicialmente sobre un bloque de hielo, se encuentra al cabo de unas horas sobre un delicado pedestal. Elegimos usar metales porque sus propiedades térmicas (conductividad, capacidad calorífica, emisividad) son bien conocidas, pero el experimento de laboratorio también funciona con un disco de piedra natural.

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Este dispositivo nos permitió confirmar el mecanismo de formación de las piedras Zen en el entorno natural, pero también probar diferentes configuraciones, de forma rápida y reproducible gracias a una tasa de sublimación casi diez veces más rápida en el laboratorio. La presencia de la depresión observada bajo los guijarros naturales se debe a un efecto sutil ausente en nuestros experimentos de laboratorio.

De hecho, la piedra (pero también 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, en longitudes de onda de alrededor de 10 micrómetros. En nuestros experimentos, el disco metálico y el hielo están a la misma temperatura y sus emisiones en el rango infrarrojo se compensan. Por otro lado, en el lago Baikal, los guijarros pueden tener una temperatura más alta que el hielo durante parte del día. Así, esta fuente adicional de energía acelera la sublimación en la proximidad del guijarro y conduce a una depresión cuyo contorno sigue el de la piedra.

Las piedras zen son fenómenos tan raros como efímeros. De hecho, el proceso de sublimación, incluso si se retrasa mucho debajo de la piedra, hace que el pie se adelgace indefinidamente hasta que la piedra se cae. La vida útil de estas estructuras en el lago Baikal es del orden de dos a tres semanas, y solo unos pocos privilegiados tienen la suerte de presenciar este espectáculo.