11 Minute
Adâncituri ciudate, asemănătoare unor șerpi, care apar pe dunele marțiene în fiecare primăvară au fascinat de mult timp oamenii de știință planetari. Noi experimente de laborator arată acum că blocuri de dioxid de carbon solid — gheață uscată — pot săpă prin nisip și să-l împrăștie în timp ce sublimate, reproducând exact urmele sinuoase observate de la orbită. Această constatare adaugă dovezi clare privind procesele active care modelează dunele martiene și explică morfologii care anterior erau interpretate prin ipoteze legate de apă lichidă temporară.
Recreating Mars in a lab: the experiment that solved a mystery
Cercetători de la University of Utrecht și colaboratorii lor s-au întors într-o cameră de simulare a mediului marțian pentru a testa o ipoteză provocatoare: ar putea gheața sezonieră de CO2 să explice acele șanțuri ondulate fără a apela la apă lichidă? Studii anterioare arătau că CO2 solid poate aluneca pe pante abrupte sprijinit de un strat de vapori (un efect similar Leidenfrost), dar acele experimente nu reproduceau urmele șerpuitoare și levateile laterale observate pe dune. Runda nouă de teste a variat în mod sistematic unghiul pantei, dimensiunea granulelor de nisip și mărimea blocurilor de gheață, înregistrând fiecare rulare cu camere video de mare viteză într-un mediu cu presiune și temperatură apropiate de cele marțiene. Echipa a urmărit parametrii experimentali — presiune atmosferică scăzută, intensitate lumină similară cu cea solară pe Marte și proprietăți termice ale substratului — pentru a obține condiții cât mai apropiate de realitate.
Metodologia a inclus măsurători detaliate ale vitezei de sublimare a CO2, monitorizarea fluxului de gaz și analiza morfologiei pistelor formate. De asemenea, s-au folosit probe de nisip cu compoziții și distribuții granulometrice variate pentru a testa modul în care caracteristicile sedimentelor controlează eficiența excavării. În plus față de camerele de mare viteză, cercetătorii au folosit termografie în infraroșu și senzori de presiune pentru a capta evoluția interfeței gheață-nisip în timpul rulării.
Rezultatele au fost remarcabile și oferă o explicație mecanică detaliată. Pe pante mai abrupte de aproximativ 25 de grade, blocurile de gheață uscată alunecau pe un strat subțire de vapori și lăsau cicatrici difuze; comportamentul era dominat de alunecare pe pernă de gaz. În schimb, pe pante mai blânde — sub aproximativ 22,5 grade — blocurile au început să se afunde în nisip. Pe măsură ce partea inferioară a blocului se încălzea, CO2-ul a sublimate (a trecut din stare solidă direct în stare gazoasă), acumulând presiune sub masă; apoi gazul a explodat prin nisip, ejectând granule și propulsând blocul înainte sau în jos. Blocurile îngropate s-au comportat, practic, ca niște „buruitori” care sapă în aval, lăsând canale sinuoase cu levate laterale ridicate și o mică cavitate terminală — trăsături care coincid precis cu imaginile orbitale ale șanțurilor din dunele marțiene.
Why CO2 behaves like a burrowing engine
Două proprietăți fizice esențiale fac posibil acest proces. În primul rând, gheața uscată este translucidă pentru radiația vizibilă și pentru cea din apropierea infraroșului: lumina solară pătrunde prin gheață și încălzește nisipul mai închis de sub ea. Acest efect de penetrare termică permite interfeței gheață-nisip să absoarbă energie fără ca suprafața exterioară a blocului să se topească complet. În al doilea rând, atmosfera subțire dominantă de CO2 a lui Marte combinată cu rolul de izolator al blocului de gheață rețin acea căldură local, determinând o sublimare rapidă la interfața îngropată. Deoarece gazul rezultat nu are o cale de scăpare liniștită, el erupe balistic prin nisip, excavând și propulsând granulele — un mecanism eficient de transport sedimentar la scară mică.
Fenomenul implică un echilibru între debitul de gaz produs prin sublimare, permeabilitatea și coeziunea nisipului, și geometria blocului: forma, tensiunea internă și grosimea stratului de gheață controlează distribuția presiunii. Tehnici de laborator au arătat că jeturile de gaz pot forma canale bine conturate, iar presiunea locală poate ridica sau depune materiale, generând levateuri laterale similare cu bermurile fluviale. În plus, la presiuni joase (ordinul a circa 6–10 milibari, asemănător atmosferei marțiene), eficiența jeturilor gazoase crește comparativ cu condițiile terestre, ceea ce favorizează mobilizarea particulelor fine și formarea de morfologii complexe.
Simulările scalate care includ efectul gravitației marțiene indică faptul că blocuri de gheață de până la un metru grosime ar putea arunca nisip la distanțe de zeci de metri — suficiente pentru a genera gropile și canalele observate de sateliți. Adaptarea la gravitația redusă a lui Marte (aproximativ 0,38 g) extinde raza de acțiune a ejectatului în comparație cu teste pur terestre, iar modelele numerice care includ dinamica particulelor (DEM — discrete element method) plus fluxul de gaze confirmă că sub anumite combinații de mărime a blocului, granulometrie și unghi al pantei se obțin forme morfologice aproape identice cu cele reale.
Mecanismul explică și de ce aceste forme apar în special pe pante cu sedimente fine: materialul grosier nu este ușor ridicat de aceste explozii de gaz, iar particulele mari împiedică blocul de gheață să se înfunde și să sape în același mod. Parametrii critici includ diametrul mediu al granulelor, conținutul de praf sau cimentare, și umiditatea în cantități foarte mici — toate afectând permeabilitatea și coeziunea. Pe scurt, dunele constituite din materiale fine, slabe legate între ele și expuse la cicluri sezoniere de CO2 tind să dezvolte aceste guri și canale recurente.
Context: from initial water hypotheses to a CO2-driven process
Când aceste șanțuri au fost detectate prima dată în 1999, unii cercetători au propus că ele ar putea fi cauzate de curgeri tranzitorii de apă lichidă sau de căderi de apă sub formă de gheață topită ocazională. Totuși, condițiile actuale de suprafață de pe Marte — presiune atmosferică foarte joasă și temperaturi în general sub punctul de îngheț al apei — fac extrem de puțin probabilă existența apei lichide stabile la repezeală în locurile observate. Modelul de sublimare a CO2, propus inițial în 2013, a câștigat încredere treptat pe măsură ce datele experimentale și modelele computaționale au completat lacunele anterioare.
Ultimele experimente de laborator sunt primele care reproduc ansamblul complet de detalii morfologice — sinuozitate, levateuri laterale și cavități terminale — sub condiții controlate asemănătoare cu cele marțiene. Observațiile instrumentelor orbitale, cum ar fi camerele HiRISE de pe Mars Reconnaissance Orbiter, au furnizat imagini de înaltă rezoluție care au ghidat construcția experimentelor și au permis comparații cuantitative: lățimi ale canalelor, înălțimi ale levateelor și structuri terminale coincid în mod surprinzător cu ceea ce s-a obținut în laborator. Prin urmare, ipoteza bazată pe sublimare CO2 nu mai este doar plauzibilă din punct de vedere teoretic, ci este și susținută experimental și observativ.
Implications for planetary geology and future study
Înțelegerea modului în care CO2-ul sezonier rearanjează dunele marțiene are implicații multiple pentru geologia planetară. În primul rând, clarifică existența unor procese active la suprafață pe o planetă mult timp considerată geologic inactivă la scară mică, ceea ce schimbă modul în care interpretăm schimbările recente observate pe suprafața marțiană. În al doilea rând, rafinează felul în care oamenii de știință folosesc imaginile orbitale pentru a distinge între forme generate abiotic și cele care ar putea indica procese legate de apă, un aspect esențial în selecția și prioritizarea siturilor pentru misiuni viitoare și pentru căutarea potențialelor habitate.
Mai mult, aceste descoperiri afectează planificarea științifică: cunoașterea că dunele active se pot remodela sezonier influențează evaluarea stabilității solului pentru instrumentele de suprafață și aterizare. Modelele rezultate din experimente vor ajuta la estimarea riscului pentru operațiuni robotice și la proiectarea experimentelor care să măsoare în situ fenomenele de eroziune și mobilizare sedimentară. Echipa plănuiește teste suplimentare folosind blocuri de gheață mai mari și compoziții diferite de nisip pentru a extinde domeniul parametrilor și a rafina modelele care scalează rezultatele de laborator la condițiile reale marțiene.
De asemenea, concluziile oferă perspective comparative pentru alte corpuri cerești: țevi de gaz produse de substanțe volatile (azot, metan, CO2) pot modela suprafețe pe sateliți și planete înghețate, astfel că procesul documentat aici ar putea avea analogii pe obiecte precum Triton, Pluto sau sateliți înghețați din sistemul nostru solar. Studiul acestor mecanisme contribuie la o teorie generală a formării reliefului generat de gheață volatilă.
Expert Insight
Dr. Lonneke Roelofs de la University of Utrecht a descris mișcarea ca fiind înfiorător de organică: ea a comparat blocurile cu animale care sapă, observând felul în care sculptează canale pe măsură ce se afundă și se deplasează. "Am observat blocul de CO2 să sape în pantă și să avanseze ca un sapător, apoi să continue să sublimate și să golească o mică cavitate când s-a oprit," a spus ea, subliniind cât de bine s-au potrivit reproducerile de laborator cu observațiile prin satelit. Această analogie biologică ajută la vizualizarea procesului, dar mecanica rămâne una fizică: interacțiunea termică dintre lumină, gheață și substrat generează forțele care fac posibilă excavarea.
Alți savanți planetari comentează că munca consolidează ideea că gheațele volatile pot crea forme de relief complexe fără intervenția apei lichide, extinzând astfel repertoriul proceselor geologice posibile pe suprafețele reci. Studiul oferă, totodată, date cuantificabile utile pentru modularea modelelor predictive și pentru compararea observațiilor orbitale cu experimente de laborator și simulări numerice.
What comes next
Echipa intenționează să testeze blocuri de gheață de dimensiuni mai mari și texturi granulare diferite, precum și amestecuri de nisip care includ praf fin, particule coezive sau fragmente mai groase. Vor rafina modelele numerice care prezic cât de departe se deplasează ejectatul sub gravitația reală marțiană și vor explora variabile adiționale, cum ar fi ciclurile termice repetate, variațiile de radiație solară şi prezența unor straturi subiacente diferite. Combinarea monitorizării continue din orbită (prin camere HiRISE, MRO și alți sateliți) cu experimentele țintite în laborator va ajuta la confirmarea dacă burrowing-ul condus de CO2 poate explica toate șanțurile sezoniere și dacă există și alte procese volatile similare care modelează suprafața pe Marte sau pe alte corpuri ceresti.
Pe termen lung, includerea acestor procese în modelele climatice și geomorfologice ale lui Marte îmbunătățește capacitatea comunității științifice de a interpreta semnalele geologice și de a alege ținte relevante pentru misiuni care au ca scop căutarea indiciilor despre habitate trecute sau prezente. Studiile viitoare pot chiar să propună experimente in-situ cu instrumente care să măsoare fluxul de gaze, distribuția temperaturii și dinamica particulelor în jurul blocurilor de CO2, oferind astfel o confirmare directă pe teren a ceea ce s-a observat în laborator și la orbită.
Sursa: sciencealert
Lasă un Comentariu