8 Minutės
Keisti, gyvatės pavidalo grioviai, kurie kiekvieną pavasarį atsiranda Marso kopose, ilgą laiką žavėjo planetų mokslininkus ir kėlė klausimų apie aktyvius paviršiaus procesus. Nauji laboratoriniai eksperimentai rodo, kad anglies dioksido ledo — sausasis ledas — blokai gali prasiskverbti per smėlį ir jį iššaudyti, kai ledas sublimuodamas virsta dujomis. Toks procesas atkartoja tikslų vingiuotų takų vaizdą, kurį stebime iš orbitos, ir suteikia naują aiškumo lygmenį dėl Marso dunų dinamikos.
Recreating Mars in a lab: the experiment that solved a mystery
Utrecht universiteto ir partnerių komanda grįžo į Marsą imituojančią kamerą tam, kad patikrintų intriguojančią hipotezę: ar sezoninis CO2 ledas gali paaiškinti bangavimo pobūdžio griovius be jokių skystų vandens srautų. Ankstesni bandymai parodė, kad CO2 gali judėti žemyn stačiais šlaitais ant plonos dujų pagalvėlės, tačiau jie nerodė vingiuotų, atitinkančių krantų ir pakraščių (levees) takų, kurie matomi ant kopų. Dabartinė eksperimentų serija sistemingai modifikavo šlaito kampą, smėlio grūdelių frakciją ir ledų blokų dydį, kiekvieną bandymą įrašant didelės spartos kameromis esant Marso sąlygoms artimam slėgiui ir temperatūrai.
Eksperimentų dizainas buvo kruopščiai subalansuotas, kad į laboratorinę aplinką būtų perkelta kuo daugiau esminių Marso veiksnių: sumažintas atmosferos slėgis, žemesnė temperatūra, intensyvus saulės spinduliavimas imitacija ir smėlio sudėtis imituojanti Marso dunų terenas. Kiekvienas paleidimas suteikė daug vaizdinės informacijos apie tolygų judėjimą, smėlio eigos modelius ir ledo bloko bei smėlio sąveiką. Mokslininkai fiksavo dujų srautus, smėlio išsaudymą, bloko įriedėjimo arba įkasantį judesį ir susidariusią morfologiją.
Rezultatai buvo įspūdingi ir paaiškinantys. Ant šlaitų, statmenesnių nei maždaug 25 laipsniai, sausasis ledas slydo ant plonos garinės plėvelės ir paliko išsiblaškiusius, iki tam tikro laipsnio difuzinius randus. Tokie pėdsakai atitinka anksčiau aprašytą slidių ledo plokštelių judėjimą. Tačiau ant švelnesnių šlaitų — maždaug žemesnių nei 22,5 laipsnio — ledų blokai pradėjo įsiskverbti į smėlį. Kol ledo apačia šilo, CO2 sublimojo ir susidariusi dujų slėgio jėga kaupėsi po ledu, priežasčiai sprogstant pro smėlio daleles ir verčiant smėlį atšokyti nuo bloko. Tokiu būdu palaidoti ledo blokai iš esmės kasė tunelius žemyn, liekant vingiuotoms kanalų struktūroms su pakeltais pakraščiais (levees) ir nedidele galine ertme — visos šios morfologinės detalės atitinka orbitinių vaizdų duomenis apie Marso dunų griovius.
Why CO2 behaves like a burrowing engine
Du esminiai fizikiniai bruožai leidžia šiam mechanizmui veikti efektyviai. Pirmiausia, sausasis ledas yra pakankamai permatomas matomu ir arti infraraudonojo spektro spinduliu. Saulės šviesa gali prasiskverbti ir įšilinti tamsesnį pagrindinį smėlį po ledo plokšte. Antra, Marso plona CO2 atmosfera kartu su izoliaciniu ledo bloku sulaiko sukauptą šilumą prie kontakto paviršiaus, todėl užledyta sąsaja greitai sublimoja. Kadangi dujos neturi lengvos išeities, jos prasiveržia balistiškai per smėlio poras ir sluoksnius, iššaukdamos granulų ešeriją ir taip išstumiant ar stumtelint ledo bloką į priekį arba žemyn.
Mechanikos lygmenyje tai reiškia, kad pasireiškia keli sinchronizuoti efektai: temperatūros gradientas leidžia sublimojimo greičiui būti pakankamai dideliam, kad dujų srautas pasiektų kritinį slėgį; smėlio granulometrinė struktūra ir poringumas sudaro takus, per kuriuos dujos gali sprogti aukštyn ir šoniniais srautais; o ledo blokas, gavęs impulso iš žemėlapio slėgio ir smėlio atsparumo sumažėjimo, gali pasidaryti įdubą ir tęsti judėjimą kaip savotiškas tuneliavimo įrenginys. Šis kombinacinis veiksnys paaiškina kodėl matomi tiek tiesūs, tiek vingiuoti takai su pakilimais kraštuose ir uždaromis galinėmis ertmėmis.
Mastelio modeliavimas, įvertinantis Marso gravitaciją ir atmosferinius skirtumus, rodo, kad iki metro storio CO2 ledo blokai gali išmesti smėlį keliolika ar net keliasdešimt metrų — pakankamai toli, kad susidarytų stebimi grioviai. Toks skersmens ir tūrio skalės pritaikymas rodo, kad laboratoriniai rezultatai yra perkeliamo į realias Marso sąlygas, o ne tik lokalūs fenomenai eksperimentinėje kameroje. Be to, mechanizmas paaiškina, kodėl šios formacijos dažniausiai išsivysto ant smulkiai grūdėtų šlaitų: rupesnis, stambesnis gruntas pasižymi didesniu trinties ir sukibimo koeficientu, todėl dujų sprogdinimai jo nepakelia taip efektyviai, o ledo blokui sunkiau įsiskverbti ir suformuoti įtaisytą tunelį.
Context: from initial water hypotheses to a CO2-driven process
Šių griovių atradimas 1999 metais paskatino diskusijas ir hipotezes, kuriose dalis tyrėjų siūlė, kad trumpalaikiai skystojo vandens srautai galėtų būti jų priežastis. Toks siūlymas buvo patrauklus, nes vandens tekėjimas žemėje dažnai sukelia panašias morfologijas, tačiau dabartinės Marso paviršiaus sąlygos — itin mažas atmosferos slėgis ir žema temperatūra plačiai stebimose maršrutose — daro tekančio vandens scenarijų mažai tikėtinu daugelyje tų vietų. CO2 sublimacijos modelis, pirmą kartą aiškiau pasiūlytas 2013 metais, nuosekliai įgijo palaikymą, kai laboratoriniai bandymai ir skaitmeniniai modeliai užpildė anksčiau buvusias spragas paaiškinant visą požymių rinkinį.
Ankstyvieji bandymai ir stebėjimai pateikė fragmentiškus įrodymus apie CO2 vaidmenį, tačiau trūko eksperimentų, kurie būtų pajėgūs rekonstruoti visus įmanomus morfologinius bruožus vienu metu. Dabartinė mokslinė ataskaita pateikia pirmąsias laboratorines reprodukcijas, kurios apima vingiuotumą, pakraščių susiformavimą ir galines ertmes po vienu tyrimo rėmu, atkartodamos Marso stebinių detales esant reguliuojamoms, planetai analogiškoms sąlygoms. Tai esmingas įrodymo taškas, kuris perkelia CO2–sublimacijos hipotezę iš teorinio statuso ar fragmentinių stebėjimų į labiau patvirtintą modelį paaiškinti sezoninius kopų griovius.
Implications for planetary geology and future study
Supratimas, kaip sezoninis CO2 ledas perdaro Marso kopas, turi kelias svarbias pasekmes planetų geologijai ir misijų planavimui. Pirma, tai atskleidžia aktyvias paviršiaus procesų formas planetoje, kurią dažnai laikėme geologiškai santūria ar lėta; toks aktyvumas rodo, kad net šiandien, esant dabartinėms klimato sąlygoms, Marso reljefas gali keistis per palyginti trumpą laiko skalę. Antra, šios žinios padeda tikslinti orbiterių vaizdų interpretacijas: atpažindami abiotiškus, CO2 varomus griovius, mokslininkai gali saugiau atskirti vietas, kur geologiniai židiniai galėjo būti susiję su skystuoju vandeniu ar kitais biologijos svarstymais.
Tai gali turėti tiesioginį poveikį būsimiems tyrimų prioritetams ir nusileidimo taškų pasirinkimui, nes misijų planuotojai stengiasi pasirinkti vietas, kurios yra geologiškai įdomios, tačiau mažina klaidų riziką skaitant požymius, galinčius būti klaidingai interpretuojami kaip vandens veiklos pėdsakai. Tyrėjai planuoja tolesnius bandymus su didesniais ledo blokais, įvairiomis smėlio sudėtimis ir plataus masto parametrų varijacijomis, kad ištirtų ribas, kuriomis šis mechanizmas efektyviai veikia, ir tokiu būdu tobulintų skaitmeninius modelius, kurie skaluoja laboratorinius rezultatus iki Marso dydžio aplinkybių.
Expert Insight
Dr. Lonneke Roelofs iš Utrecht universiteto judesį apibūdino kaip keistai organinį: ji palygino ledo blokus su kastinėjančiais gyvūnais, pabrėždama, kaip jie išraižinėja kanalus įsiskverbdami ir judėdami. Jos pastebėjimai pabrėžia ne tik formacijos panašumą, bet ir dinaminį elgesį, kai ledo blokas įsigraužia į šlaitą, tolsta ir, sustojęs, toliau sublimoja ir padaro galinę ertmę. Tokie detaliai registruoti eksperimentiniai vaizdai suteikia aiškų ryšį tarp laboratorinių procesų ir palydovų fiksuotų paviršių pokyčių.
Planetų mokslininkai taip pat pažymi platesnį šio darbo indėlį: kietųjų, volatiliškų medžiagų, tokių kaip CO2 ar vandens ledas, procesai gali sukurti sudėtingas ir klastingas žemės formas, kurios ne visada reikalauja skysto fazės. Toks suvokimas išplečia mūsų supratimą apie reljefo evoliuciją ne tik Marse, bet ir kitose Saulės sistemos vietose, kur egzistuoja volatilių medžiagų sąveika su klastingu apvalkalu — pavyzdžiui, Antarktidos analogai Žemėje, ar įšalę paviršiai ant kai kurių mėnulių ir mažesnių planetų.
What comes next
Tolesni žingsniai apims eksperimentus su didesniais ledo dydžiais ir platesniu smėlio grūdelių spektru, siekiant įvertinti, kaip parametrai keičia tuneliavimo efektyvumą ir kokios geometrinės savybės susidaro. Taip pat numatomos sudėtingesnės skaitinės simuliacijos, kurios atsižvelgs į realią Marso gravitaciją, sezoninius temperatūros pokyčius ir ilgalaikio paviršiaus transformacijų įtaką. Kombinuojant tęstinį orbitinį stebėjimą su labaratoriniais bandymais, bus įmanoma tiksliau nustatyti, ar CO2 varomas tuneliavimas paaiškina visus sezoninius dunų griovius, ar tik jų potipį, ir ar panašūs volatilių medžiagų varomi procesai vyksta kituose Marso regionuose ar net kitose Saulės sistemos kūnuose.
Visa ši informacija svarbi ne tik mokslinei bendruomenei, bet ir misijų planuotojams, geologams bei visiems, kurie domisi Marso klimatu, paviršiaus dinamika ir galimais ateities tyrimais. Dėl to tęstiniai tarpdalykinių tyrimų projektai, jungiantys laboratorines fizikos, geologijos ir planetų mokslo priemones, išlieka prioritetu moksliniame dienotvarkės plane.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą