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* 이러한 균형 돌은 승화에 대한 돌 그림자의 영향으로 생성
* 돌은 외부 방사선으로부터 얼음을 보호하는 스크린과 같은 역할
* 국소 승화를 강화하는 추가 에너지는 돌 자체에서 나오는 흑체 복사
* 이러한 승화 구조는 안데스 산맥과 히말라야 산맥의 높은 고도에서만 알려져 있다.

선석(禪石, Zen Srone)의 비밀이 밝혀졌다.
연구원들은 얼음 플랫폼에서 균형을 이루는 돌이 어떻게 형성되는지 알아냈다.

신비한 지형:
겨울의 바이칼 호수에서는 얇은 얼음 플랫폼에서 균형을 이루는 돌을 관찰할 수 있다.
이러한 자연 예술 작품이 어떻게 탄생했는지 연구자들은 최근 실험실 실험에서 재구성했다.
이에 따르면, 이러한 균형 돌은 승화에 대한 돌 그림자의 영향으로 생성된다. 즉, 매우 추운 온도에서 발생하는 물 얼음에서 수증기로의 전환이다. 

▲ 바이칼 호수의 선석: 16cm 자갈이 얇은 얼음 플랫폼에서 균형을 이루고 있다. 그런데 어떻게 이런 일이 생기는 걸까? © Olga Zima

첸 스톤(Zen Stone 선석)은 얼음 받침대 또는 얇은 아이스 캔디 스틱에서 균형을 잡고 주변 얼음 표면 위로 돌출된다. 결과적으로 그들은 얼음 위에 떠 있는 것처럼 보이며 신중하게 배열된 예술 작품을 연상케 한다. 그러나 그들의 창조자는 자연 그 자체다. Zen 돌은 온도가 오랜 시간 영하인 상태로 유지되고 매끄러운 얼음 표면이 생성된다. 예를 들어 겨울 바이칼 호수에 눈이 존재하지 않는다.

바람에 침식되거나 녹지 않음

이러한 희귀한 구조는 어떻게 생겨난 것일까?
Zen 스톤은 천천히 제거되는 과정의 결과로 오랫동안 알려져 왔다. 그것은 눈이 없는 얼음 표면에 평평하게 놓여 있는 돌로 시작된다. 점차적으로, 이를 둘러싼 얼음의 표면은 침식되고 있는 반면, 돌 아래의 얼음은 변하지 않은 채로 남아 있다. 결과적으로 얼음 표면이 천천히 물러가고 돌은 더 얇은 플랫폼에 남아 있다.

하지만 왜?
돌 줄기가 있는 유사한 형태의 암석은 시간이 지남에 따라 바람에 의해 형성된 것으로 알려져 있다. 일부 빙하에서 관찰할 수 있는 얼음 기반이 있는 테이블 스톤은 돌 아래의 빙하 얼음이 태양에 노출된 주변의 얼음보다 덜 녹기 때문에 생성된다. Zen 돌도 비슷한 효과가 있다고 오랫동안 의심되었다. 그러나 그들은 훨씬 더 낮은 온도에서 발생하므로 얼음이 녹을 가능성은 거의 없다.

승화의 창시자?

프랑스 리옹에 있는 대학의 니콜라 타벌레(Nicolas Taberlet)과 니콜라 쁠리옹(Nicolas Plihon)은 최근 Zen 돌 뒤에 무엇이 있는지 알아냈다. 그들의 의심은 얼음 표면에서 돌을 들어 올리는 것은 주변 얼음의 해빙이 아니라 승화 - 중간 녹는 단계 없이 물 얼음에서 수증기로의 직접적인 전환이다. 매우 춥고 건조하거나 기압이 낮을 때 주로 발생한다.

"다른 천체에서 얼음 승화는 다양한 모양을 만든다"고 연구자들은 설명했다.
여기에는 우리 이웃 행성의 길고 수수께끼 같은 "화성 거미"와 명왕성의 메탄 얼음으로 만들어진 거대한 블레이드가 포함된다. 지구상에서 이러한 승화 구조는 안데스 산맥과 히말라야 산맥의 높은 고도에서만 알려져 있다. 칼날 모양의 얼음 기둥, 이른바 페니텐테스(penitentes)도 거기에서 발생할 수 있다.

▲ 아타카마(Atacama) 사막의 밤하늘 아래 페니텐테스 (Penitentes) Source:http://www.eso.org/public/images/potw1522a/

실험실에서 선(禪)돌

Zen 돌은 완전히 새로운 유형의 승화 구조다.
그것들이 어떻게 만들어졌는지는 Taberlet과 Plihon이 실험실 테스트에서 타임랩스로 재현한 것이다. 이를 위해 그들은 얼음 표면의 진공 챔버에 작은 금속 디스크를 배치했으며 낮은 기압으로 인해 즉시 승화되기 시작했다. 

▲ 실험실의 첸(Zen)스톤: 금속 디스크가 스톤의 역할을 하고 진공 챔버가 타임랩스 효과를 보장한다.  © Nicolas Taberlet / Nicolas Plihon

이를 위한 에너지는 팀이 설명하는 것처럼 챔버의 따뜻한 벽에서 확산된 열복사에 의해 제공됐다. 몇 시간 동안 승화로 인해 얼음의 높이가 가라앉고 디스크 아래의 얼음은 그대로 유지되어 Zen 디스크가 생성됐다.

"이것은 우리의 단순화된 실험실 테스트가 천연 선석의 형성 품질을 재현할 수 있음을 보여준다"고 연구원은 말했다. 추가 테스트에서 "석재"의 재료와 열전도율은 관련이 없는 것으로 나타났다. 알루미늄 디스크는 열전도율이 높은 구리로 만든 디스크만큼 빠르게 Zen 석재로 변했다. 노치 디스크도 동일한 효과를 나타낸다.
그림자 효과 및 확산 복사

이러한 관찰과 추가 물리적 모델에서 과학자들은 돌의 음영 효과가 얼음 플랫폼의 승화를 줄이는 데 결정적인 역할을 한다고 결론지었다. "돌은 외부 방사선으로부터 얼음을 보호하는 스크린과 같은 역할을 한다"고 그들은 설명했다. 무엇보다도, 음영은 확산 일광의 적외선 복사 성분을 차단한다.

이것은 또한 겨울 태양의 가장 기울어진 위치에도 불구하고 얼음 플랫폼이 돌 아래 중심에 있고 대칭적인 이유를 설명한다. Zen 돌은 일반적으로 하늘이 흐리고 직사광선이 없을 때 생성되기 때문에 돌은 주로 확산된 하늘 복사를 차폐한다. 그리고 이것은 Taberlet과 Plihon이 설명하는 것처럼 천정 방향에서 가장 강력하다.

돌 아래 오목한 부분의 비밀

Zen 돌의 또 다른 놀라운 특징이 있다.
즉, 얼음 플랫폼은 항상 얼음의 약간의 오목한 부분으로 둘러싸여 있다. "관찰된 모든 경우에서 이 함몰부는 돌의 지름보다 약간 더 크지만 모양은 돌의 모양을 따른다"고 연구자들은 보고했다. 그들의 의견으로는 이것은 돌 바로 근처의 승화가 자유 얼음 표면보다 약간 높아야 함을 증명한다.

"이 국소 승화를 강화하는 추가 에너지는 돌 자체에서 나오는 흑체 복사로 거슬러 올라갈 수 있다"고 Taberlet과 Plihon은 썼다. 이것은 영하 20도의 온도에서도 원적외선 범위에서 낮은 수준의 방사선을 방출한다. 이 복사는 확산 일광의 복사 조도보다 100배 적지만 여전히 얼음 표면의 승화에 영향을 미친다.

(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; doi: 10.1073/pnas.2109107118)

출처:  CNRS

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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