8 Minutės
Pirmą kartą Marso marsaeigis užfiksavo elektros spragsėjimą, kylantį iš dulkių sukelto žaibo, ir net mažus garso smūgius — tai aiškus įrodymas, kad Raudonoji planeta gali generuoti tikras elektros iškrovas per smarkius dulkėtus orus. Šį atradimą atliko NASA marsaeigis Perseverance ir jis atskleidžia, kaip vėjas ir dulkės susijungia, kad sukeltų elektrą retame, anglies dioksidu prisotintame Marso ore.
Kaip Marsas sukelia smūgį: elektros iškrovos be vandens
Žaibas Žemėje dažniausiai siejamas su didžiulėmis, drėgmės prisotintomis audros debesimis. Tačiau elektra nesiekia vien tik vandens: vulkaniniai stulpai, pelenų debesys ar smėlio audros Žemėje gali susikrauti krūvį, kai dalelės trenkiasi ir trinasi viena į kitą. Planetologai seniai įtarė, kad panašūs fizikiniai procesai gali veikti ir Marse — nepaisant kur kas plonesnio oro ir beveik visiškos drėgmės trūkumo — tačiau tiesioginių įrodymų iki šiol trūko.
Dabar tas trūkumas sumažėjo. Per du Marso metus stebėję Perseverance, mokslininkai užfiksavo 55 trumpalaikius elektros įvykius dulkėse ir vėjo sąlygomis. Iš jų septyni buvo įrašyti išsamiai SuperCam mikrofono, suteikiant tiek elektromagnetinį parašą, tiek trumpą akustinį „skambesį" — mažytį perkūno dūžį, susidarantį, kai iškrova įkaitina aplink esantį orą ir jis staiga išsiplečia.
Šie pastebėjimai rodo, kad elektros iškrovos Marse gali susidaryti be skystų kondensuotų debesų. Vietoje to, dulkės ir vabzdžių dydžio ar dar smulkesni užuomazgos dalelės, pakeliamos vėjo arba sukamos dulkių verpetuose, įgyja skirtingus krūvius ir atskirais atvejais išleidžia juos kaip trumpas iškrovas. Tai svarbus koncepcinis poslinkis, plečiantis supratimą apie Marso atmosferos elektrinę dinamiką ir elektrostatiką.
Atrasti mažyčius kibirkštis: SuperCam ir signalų pirštų atspaudai
Perseverance SuperCam mikrofonas tapo raktu šiam atradimui. Orientuotas į garso įrašymą ir elektromagnetinių trikdžių fiksavimą, šis instrumentas registravo pakartotiną seką: staigų elektroninį „blik" signalą, kai iškrova persiduoda į laidus, po to maždaug 8 milisekundžių trukmės ringdown'ą, o septyniuose atvejuose — silpną akustinį impulsą, atitinkantį miniatiūrinį sonic boom'ą.
Signalų savybės suteikė kelis atpažinimo požymius: trumpalaikis elektroninis pereikvojimas, po kurio sekė specifinis slopinimo modelis (ringdown), taip pat laiko ryšys su vėjo ir dulkių bangomis fone. Šios charakteristikos leido atskirti tikras elektros iškrovas nuo instrumentinio triukšmo ar kitokių artefaktų.
Diagramoje parodytos mažos žaibų iškrovos Marse
Norėdami patvirtinti signalų kilmę, mokslininkai atliko eksperimentus su SuperCam replika Žemėje. Naudodami Wimshurst'ą — elektros krūvio kaupimo prietaisą, generuojantį mažas iškrovas šalia mikrofono replikos — jie atkartojo tas pačias elektronines „blik" formas ir ringdown profilius, stebėtus Marse. Laboratoriniai rezultatai sustiprino išvadą, kad Perseverance fiksavo tikras elektros iškrovas, o ne sisteminį triukšmą ar programinės įrangos klaidas.
Be to, laboratorijoje buvo ištirti skirtingų dalelių dydžiai, mineraloginė sudėtis ir kontaktinio trūkčiojimo mechanika, siekiant suprasti, kurie dulkių tipai efektyviau generuoja krūvį. Tokie bandymai padeda suformuluoti fizinius parametrus modeliams, kurie bando prognozuoti elektros aktyvumą Marso dulkėtame ore.
Kada ir kur kibirkštis pasirodo
Dulkės pačios savaime negarantuoja elektros iškrovų. Analizė rodo, kad 54 iš 55 užregistruotų įvykių sutapo su aukščiausiomis — viršutiniu 30% — vėjo greičio reikšmėmis, stebėtomis marsaeigiu, ir dauguma įvyko dulkų audrų frontuose. Šešiolika įvykių įvyko susidūrus su „dulkų driežais" (dust devils) — vertikaliais sūkuriavimais, kurie pakelia daleles ir stiprina krūvių kaupimąsi per smūgius ir trintį.
Energijos mastelis šiuose įvykiuose buvo itin mažas palyginti su tipišku žaibu Žemėje. Iš septynių akustinių įrašų šeši atitiko iškrovas maždaug nuo 0,1 iki 150 nanodžaulių; vienas didesnis įvykis pasiekė apie 40 millidžaulių ir, greičiausiai, atitinka kibirkštį, nukreiptą į patį marsaeigį — tai galėjo būti sukelta dalelių trinimosi apie Perseverance bei lokalios krūvio koncentracijos.
Tokios energijos reikšmės yra nedidelės, tačiau jos yra pramonės ir instrumentų dizaino požiūriu reikšmingos. Net mažos elektros iškrovos gali sukelti kontaktų koroziją, sukelti netikras signalizacijas ar paveikti jautrias analizės priemones, ypač kai jos repetuoja per ilgą misijos laikotarpį.
Kodėl tai svarbu: technologija, chemija ir astrobiologija
Praktinė inžinerija yra tiesioginė taikymo sritis. Žinojimas, kad elektros iškrovos — net ir labai mažos — gali įvykti prie paviršiaus, nulemia, kaip ateities nusileidimo moduliai, gyvenamosios bazės ir jutikliai turėtų būti projektuojami ir apsaugomi nuo elektrostatikos bei smulkių kibirkščių dulkų audrų ar verpetų metu.
Be aparatūros, atmosferinė elektra keičia chemines reakcijas. Ankstyvajame Žemės istorijos etape žaibas dažnai laikomas prebiotinės chemijos varikliu — elektronai ir šiluma iš žaibo gali sukurti reaktyvias molekules, kurios veda prie sudėtingesnių organinių junginių. Patvirtinimas, kad Marse įvyksta žaibai ar elektros iškrovos, leidžia modeliuotojams įtraukti elektrinius reakcinius kelius, prognozuojant Marso paviršiaus chemiją, ir galbūt peržiūrėti reakcijų bei oksidantų gamybos įvertinimus audrų metu.
Tai turi tiesioginių pasekmių astrobiologijai: elektros sukelta chemija gali padidinti arba sumažinti organinių junginių stabilumą, priklausomai nuo reakcijų grandinių. Įtraukus elektros iškrovas į chemijos modelius, tyrėjai galės preciziškiau numatyti, kur ir kada tikėtina susidarytų trumpalaikės, reaktyvios molekulės, galinčios dalyvauti kompleksiškų organinių junginių sintezėje ar jų sunaikinime.
Komanda naudojo Wimshurst aparato principą, kad paleistų mažytes elektros iškrovas šalia Perseverance SuperCam replikos.
Misijos kontekstas ir moksliniai metodai
Tyrimą vadovavo planetų mokslininkas Baptiste Chide (Tuluzaus universitetas) ir kolegos, kurie išanalizavo 28 valandas SuperCam mikrofono įrašų per du Marso metus. Jų metodika sujungė in-situ duomenų analizę su laboratorine replikacija bei kontekstiniais aplinkos duomenimis iš marsaeigio — įskaitant vėjo greitį, vietinę dulkių koncentraciją ir susidūrimo su dulkių įvykiais laiką — siekiant koreliuoti elektros aktyvumą su konkrečiomis oro sąlygomis.
Komanda pabrėžia, kad dauguma iškrovų įvyksta arti paviršiaus, kur slėgis yra palyginti aukštesnis Marso sąlygomis, — tai ilgai modeliuotas reiškinys, kurį dabar galima tiesiogiai patvirtinti su aktyviamis paviršiaus priemonėmis, tokiomis kaip Perseverance. Tokios tiesioginės patikros leidžia sureguliuoti atmosferos modelius, pridėti empirinį palaikymą ir mažinti neapibrėžtumus prognozėse.
Be to, tyrėjai naudojo kryžminius patikrinimus tarp skirtingų instrumentų duomenų: laiko sinchronizaciją su meteorologiniais jutikliais, vizualiais SuperCam duomenimis bei orbitalinių priemonių dulkių vaizdais. Toks daugiakanalis požiūris sumažina neteisingų klasių riziką ir sustiprina interpretacijos patikimumą.
Pasekmės būsimam Marso tyrinėjimui
Ateities misijų kūrėjai turės atsižvelgti, kaip elektrostatinis krūvis kaupiasi ant ratų protektorių, instrumentų strypų ir saulės elementų, ypač per planetą dengiančias dulkų audras arba intensyvius vietinius dulkėtus frontus. Net mažos kibirkšties gali sukelti kontaktų oksidaciją, sukelti neteisingus jutiklių signalus arba pakeisti jautrias eksperimentines procedūras, skirtas aptikti pėdsakus organinių junginių.
Moksliniu požiūriu nauji duomenys skatina tobulinti atmosferos modelius, įtraukiant elektros reiškinius ir jų chemines pasekmes. Tai padės tyrėjams tiksliau numatyti oksidantų gamybą, trumpalaikę audrų metu vykstančią chemiją bei galimus kelius sudėtingų molekulių formavimuisi. Tikslesni modeliai savo ruožtu pagerins misijų planavimą — nuo instrumentų apsaugos iki vietų, kur verta siųsti tyrimo zondus ar mėginius.
Be to, supratimas apie elektros aktyvumą gali padėti vertinti ilgalaikį paviršiaus degradavimą ir koroziją, kuri gali paveikti ateities žmogaus misijas: energetikos sistemas, gyvybės palaikymo įrangą ir stacionarias mokslines stotis.
Ekspertų įžvalga
„Šie stebėjimai keičia mūsų požiūrį į Marso priepaviršinę aplinką,“ — sako Dr. Elena Morales, planetinės atmosferos specialistė, nepaperėjusi tyrimo. — „Dabar turime konkrečius įrodymus, kad trumpalaikiai elektros įvykiai — susiję su vėju ir dulkėmis — vyksta tokiais mastais, kurie svarbūs tiek aparatūros patikimumui, tiek atmosferinei chemijai. Būsimi nusileidimo moduliai turėtų būti testuojami dėl elektrostatinio atsparumo simuliuotose Marso dulkų audrose."
Dr. Morales priduria, kad elektrinių iškrovų chemijos integravimas į klimato ir cheminius modelius gali atskleisti anksčiau nepastebėtus reakcinius kelius, svarbius oksidantų ir pėdsakinių organinių junginių supratimui Marse.
Ką daryti toliau?
Tolesni darbai apima tikslingą stebėjimą dulkėtų sezonų viršūnėse, kitų instrumentų naudojimą elektrinių parašų kryžminiam patvirtinimui ir išplėstus laboratorinius eksperimentus, imituojančius Marso slėgį, dalelių sudėtį ir vėjo sąlygas. Laboratorinė replikacija, apimanti skirtingų uolienų ir dulkių mineralogiją, leis geriau suprasti, kurios medžiagos labiausiai linkusios generuoti krūvį ir iškrovas.
Kaip kaupiasi daugiau paviršinių ir orbitinių duomenų, mokslininkai tikisi sugriežtinti energijos biudžetus, erdvinį pasiskirstymą ir šių iškrovų dažnį — bei įvertinti, kaip jie galėtų paveikti gyvenamumo tyrimus ir misijų dizainą ateityje. Tai apims tiek trumpalaikius įvykius, tiek jų ilgalaikį poveikį instrumentų gyvavimo laiko tikimybei ir mėginių nepaliestumo išsaugojimui tyrimams.
Apibendrinant, šie atradimai pabrėžia, kad Marso meteorologija yra dinamiška ir kompleksiška: net be skysto vandens, planeta vykdo fizinius ir cheminius procesus, kurie gali turėti reikšmės ir inžinerijai, ir moksliniams hipotezėms apie gyvybės galimybes praeityje ar dabar.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą