Wir haben die langjährige Geheimnis dieser stacheligen Eis Säulen gelöst.

Penitentes sind der Natur-Eis-Skulpturen: Snowy Säulen dieser Form hoch in die Anden-Gletscher, wo die Luft besonders trocken ist. Nun haben Physiker herausgefunden, nicht nur wie diese Säulen, sondern bilden warum sie Form an bevorzugte Abstände zwischen den Spalten tendenziell.

Sie heißen "Penitentes" (oder Nieves Penitentes, Spanisch für "Büßer-förmigen Schnee"), weil sie unheimlich wie eine Prozession von weiß gekleideten Mönche mit Buße gesenkten Köpfen aussehen – insbesondere die Zugehörigkeit zu einer spanischen Reihenfolge mit Gewohnheiten bekannt für hohe, schmale weiße Hüte mit spitzer Spitze. Als Charles Darwin aus Santiago, Chile, Mendoza, Argentinien im Jahr 1835 reiste, er fand sich durch Schneefelder übersät mit Penitentes, und war so beeindruckt von den ungewöhnlichen Formationen – ganz zu schweigen von einer unglücklichen gefrorenen totes Pferd –, die er schrieb über sie in seinen Zeitschriften:

"Kühne kegelförmigen Hügel aus rotem Granit rose auf jeder Hand; in den Tälern gab es mehrere breiten Felder des ewigen Schnees. Diese Massen, während des Prozesses der Auftauen gefroren hatte in einigen Teilen in Zinnen oder Spalten, die, da sie hoch und nahe beieinander liegen, waren es schwierig für die Ladung Maultiere passieren umgewandelt worden. Auf einer dieser Spalten von Eis, gefrorenen Pferd klebte wie auf einem Podest, aber mit seiner hinteren Beine gerade nach oben in der Luft. Das Tier, nehme ich an, muss gefallen mit dem Kopf nach unten in ein Loch, wenn der Schnee durchgehend war, und danach die umliegenden Teile wurden durch das Tauwetter ausgeräumt müssen."

Die Einheimischen verwendet, um die Spalten zu denken waren das Ergebnis von starken Winden. Doch Meredith Betterton, ein Physiker an der University of Colorado, Boulder, schlug eine andere Erklärung für wie sie im Jahr 2001 bilden könnten. Fünf Jahre später entstanden auch die ersten künstlichen Versionen dieser stacheligen Formationen im Labor.

Der Schlüssel ist auch als Sublimation bezeichnet. Penitentes entwickeln, wenn die Strahlen der Sonne Schnee, verdunsten, außer das Eis direkt in einer Dampfphase verschiebt, ohne zuerst ins Wasser schmelzen. Aber einige Bereiche sublimieren schneller als andere.

Betterton zeigten, dass selbst wenn Schnee ziemlich glatt und gleichmäßig beginnt, gibt es noch kleine Kuppen und Tröge. Sonnenlicht wird in den Trögen, die reflektierenden Wänden hin und her abprallen gefangen. Diese zusätzliche Wärme schnitzt noch tiefer Tröge. Die daraus resultierende gekrümmte Oberfläche konzentriert sich Sonnenlicht wie eine Linse, die Sublimation Prozess noch beschleunigen. Schließlich erhalten Sie einen unheimlichen Wald von eisigen Spitzen.

Eine Gruppe von französischen Forschern waren nicht ganz zufrieden mit dieser Erklärung, jedoch darauf hingewiesen, dass Betterton Modell unvollständig ist, weil sie keinen zusätzlichen Mechanismus zu erklären, die eigentümlichen festen Abstand von Penitentes. Sollte eine Vielzahl von Werten in den Abstand zwischen den einzelnen Säulen – ein "Scale-free" Verteilung – aber da gibt es nicht, es muss irgendeine Art von anderen Prozess weitergeht, die Anlass zu dieser Vorliebe nach Philippe Claudin, Erstautor des Fachartikels in Physische Überprüfung E.

Claudin und seine Kollegen am Institut für industrielle Physik und Chemie in Paris (ESPCI ParisTech) haben ihre eigenen komplexeres Modell ausgearbeitet und festgestellt, dass Wachstum der Penitentes ist nicht das Ergebnis der Sublimation vor direkter Sonneneinstrahlung. Vielmehr entstehen sie durch eine Kombination von Dampf Diffusion und Wärmetransport. Philip Ball im Fokus Physik erklärt:

"... .snow nur sublimiert, sobald das Licht absorbiert und in Wärme umgewandelt. Dies scheint offensichtlich, aber es bedeutet, dass das Innere des Schnees, wo endlich Licht absorbiert wird, wärmer als die Oberflächenschichten. So gibt es ein Temperaturgradienten, abhängig Dicke und Steilheit davon wie bereitwillig Licht in den Schnee eindringen kann. Zweitens, wenn die Luft an der Oberfläche mit gesättigt ist Wasserdampf, nicht mehr aus der festen Phase austreten kann, so dass die Sublimationsrate hängt von der Geschwindigkeit, mit welcher Wasserdampf diffundiert Weg von der Oberfläche.

“... [T] er Temperaturgradient fügt einen weiteren Mechanismus – über die Unterschiede in der Bestrahlung von Betterton und Kollegen beschrieben — für warum Tröge in erster Linie zu vertiefen. Wärme ist weniger effizient aus den Trögen als von den Gipfeln, strahlte aus führt ein steiler Temperaturgradient im Schnee in den Trögen. Diese steiler Temperaturgradient entpuppt sich als eine höhere Sublimationsrate produzieren damit die Tröge selbst verstärkende in den frühen Stadien des Wachstums werden."

Diese Variablen Konten für die regelmäßige Abstände hinzufügen. Wie weit auseinander die Penitentes Form hängt die Rate, an der der Dampf diffundiert; Je schneller dies geschieht, desto weiter auseinander Spalten werden.

Die komplexe Physik hinter ihrer Entstehung ist noch mehr Grund zu bestaunen der Natur exquisite Kunstfertigkeit der Bildhauerei diese seltene eisigen Säulen.

Bilder: (von oben) Bereich der Penitentes in den zentralen Anden, Argentinien. Bildnachweis: Benutzer: Arkavi, via Wikimedia Commons. (unten) Micropenitentes im Labor. Bildnachweis: Paul Dubuc /Physical Review Letters (2006).

Referenzen:

Bergeron, Vance; Berger, Charles; und Betterton, M.D (2006) "Controlled irradiative Formation of Penitentes," Physical Review Letters 96:098502.

Betterton, M.D (2001) "Theorie der Strukturbildung in Schneefelder motiviert durch Penitentes, Sonne-Cups und Sandkegel," Physische Überprüfung E 63:056129.

Claudin, Philippe, Et Al. (2015) "physikalische Prozesse verursacht die Bildung von Penitentes," Physische Überprüfung E 92:033015.

Darwin, Charles. Journal der Forschungen in der Geologie und Naturgeschichte der verschiedenen Länder von HMS Beagle unter dem Kommando von Kapitän Fitz Roy, R.N, 1832 bis 1836 besucht. London: H. Colburn, 1839.

Lliboutry, L. (1954b) "The Origin of Penitentes," Journal der Glaziologie 2:331-338.