دانشمندان به تازگی موفق شدند با توسعه مدل جدیدی آهنگ شکل‌گیری برف به صورت دوره‌ای را در ارتفاعات توصیف کنند.

تیغه‌های برفی. شکل‌های برآمدگی‌های فرسایشی در شرایط آفتابی و ارتفاعات بالا مانند شیلی شکل می‌گیرند.

در رشته‌ کوه‌های آند، تابش پرتوهای خورشید به سرزمین‌های برفی می‌تواند مخروط‌هایی از برف یا یخ به ارتفاع 1 تا 4 متر و پهنای ده‌ها سانتی‌متر ایجاد کند. تحلیل جدیدی که به تازگی برای این فرایند ارائه شده پارامترهای فیزیکی بیشتری را برای شکل‌گیری چنین ساختارهایی در نظر می‌گیرد که در نظریه‌های قبلی به آن‌ها اشاره‌ای نشده بود. این تحلیلِ جدید همچنین علت اندازه و فاصله یکسان این ساختارها را توصیف می‌کند و می‌تواند به چگونگی شکل‌گیری یخ‌ها در سیارات دیگر نیز اعمال شود.

توصیفی که برای شکل‌گیری تیغه‌های برفی که برآمدگی‌های فرسایشی یا penitent نامیده می‌شود در اوایل سال‌های 2000 توسط مردیت بترتون (Meredith Betterton) و همکارانش از دانشگاه کلورادو توسعه داده شد [2و1]. تحت شرایط آفتابی در بخش‌هایی از ارتفاعات بلندِ رشته‌کوه آند، نورخورشید باعث می‌شود برف به صورت مستقیم تصعید شده و به بخار آب تبدیل شود. در واقع ایده‌ای که نخستین بار توسط بترتون و همکارانش مطرح شد به این صورت بود که نور در ابتدا با برخورد به سطحِ تقریبا مسطحی از برف که بی‌نظمی‌های کوچکی دارد درون چاله‌های بازتاب به صورت مداوم دچار تابش و بازتابش می‌شود و این تنزل‌های نوری، گرمایش ناحیه‌ای را که تا حدی بالاتر از نوک این ساختارهاست افزایش می‌دهد. گرمای اضافی  در این حفره‌ها باعث می‌شود که ساختارهای تیغه‌ای به تدریج پدیدار شوند.

به گفته فیلیپ کلودین (Philippe Claudin) و همکارانش از موسسه فیزیک و شیمی صنعتی (ESPCI ParisTech) این مکانیزم نمی‌تواند به تنهایی چنین برآمدگی‌های فرسایشی را با این اندازه و فاصله آن‌طور که مشاهده می‌شود ایجاد کند، بلکه باید توزیعی داشته باشد که از نظر مقیاس، محدودیتی نداشته و محدوده بسیار وسیعی از فاصله‌گیری را شامل شود. مدل بترتون و همکارانش تنها با فرض قرار دادنِ وجود یک فرایند پایدارکننده‌ و بدون مشخص‌کردن اینکه چه فرایندِ فیزیکی متناظر با آن وجود دارد فاصله‌گذاری خاصی را برای این ساختارها انتخاب می‌کند. با این وجود کلودین و همکارانش نشان دادند که با افزودن مولفه‌های جدیدی به این مدل ابتدایی می‌توان توضیح داد چرا نوع خاصی از فاصله‌گیری انتخاب می‌شود.

فاکتوری که توسط این محققان افزوده شده این است که برف تنها یک‌بار آن هم زمانی که نور جذب شده و به حرارت تبدیل می‌شود دچار تصعید خواهد شد. هر چند این موضوع به نظر واضح می‌رسد اما به معنای این است که دما درون برف، یعنی جایی که نور در نهایت جذب خواهد شد، بیشتر از لایه‌های سطحی آن است. بنابراین، یک گرادیان دمایی وجود خواهد داشت که ضخامت و شیب آن بسته به این دارد که نور چگونه به برف نفوذ کند. علاوه بر این، اگر هوا در سطح، با بخار آب اشباع شود، هوای بیشتری نمی‌تواند از فاز جامد فرار کند و بنابراین، آهنگ تصعید به سرعتی که بخار آب از سطح پراکنده می‌شود بستگی خواهد داشت.

 بر طبق مدل این گروه، گرادیان دمایی نیز ورای اختلاف‌ها در تابش که توسط بترتون و همکارانش توصیف شد مکانیزم دیگری اضافه خواهد کرد که علت عمیق‌تر بودن بخش‌های پایینی را توصیف می‌کند. در حقیقت حرارت از بخش‌های پایینی با بازدهی کمتر نسبت به قله‌ها تابیده می‌شود و از این رو منجر می‌شود که گرادیان دمایی شدیدتری در برف موجود در بخش‌های پایینی اتفاق بیفتد. این گرادیان دماییِ شدیدتر نیز منجر به بالا رفتن آهنگ تصعید می‌شود به طوری که بخش‌های پایینی در مراحل ابتداییِ رشد از دورن تقویت می‌شوند.

کلودین و همکارانش با توجه به فاصله مشخصه در بخش‌های پایینی دریافتند که انتشار بخار در سطح فرایند بسیار مهمی است و البته تنها زمانی روی می‌دهد که تغییرات موضعی شگرفی در بخار موجود در هوا آن هم درست در بالای سطحی که بخشی از آن سطح سریع‌تر از سایر بخش‌ها تصعید شود روی می‌دهد. اما انتشار جانبی، جلوی چنین اختلاف‌هایی را می‌گیرد و بنابراین اگر این انتشار سریع باشد، برآمدگی‌های فرسایشیِ جداگانه می‌توانند تنها با فاصله‌های بسیار زیادی از هم رشد کنند. به عبارت دیگر، فاصله بین برآمدگی‌های فرسایشی آهنگ انتشار را افزایش می‌دهد.

این تیم آهنگ انتشار را با استفاده از مقدار فاصله از سطح، l ، کمّی کردند. بر طبق این پژوهش، برای برآمدگی‌هایی که تنها چند ده سانتی‌متر از هم فاصله دارند، مقدار  l برابر با 0.1 سانتی‌متر لحاظ شد که در توافق با مقدار انتظاری در شرایط بدون باد است.

هانس هرمن (Hans Herrmann) از موسسه فدرال تکنولوژی در زوریخ می‌گوید: « افزودن چنین اثرات پیچیده‌ای به این تحلیل کار بسیار هوشمندانه‌ای است». به گفته او این اثرات  مدل را قادر می‌سازد تا فاصله مشخصه‌ای را انتخاب کند.

به گفته دوگ مک‌آییل (Dough MacAyeal) از دانشگاه شیکاگو، برآمدگی‌های فرسایشی ممکن است وضعیت منحصربه‌فردی داشته باشند که در آن تابش خورشید اثر بسیار قوی بر روی منطقه سیاره‌ای داشته باشد. کلودین می‌گوید این الگوهای مشابه می‌تواند برای سایر اجرام سیاره‌ای نیز وجود داشته باشد که هم شامل نوعی از یخ و هم نمایشی از تابش خورشیدی مانند قمر اروپا برای سیاره مشتری باشد.

1.     M. D. Betterton, “Theory of Structure Formation in Snowfields Motivated by Penitentes, Suncups, and Dirt Cones,” Phys. Rev. E 63, 056129 (2001).

2.     V. Bergeron, C. Berger, and M. D. Betterton, “Controlled Irradiative Formation of Penitentes,” Phys. Rev. Lett.96, 098502 (2006).

منبع: http://physics.aps.org/articles/v8/92