Пауками, или аранеформами, называют тёмные ветвящиеся узоры на поверхности Марса. Некоторым они напоминают ветви деревьев или извилистые молнии. На Земле ничего подобного нет; учёные уже давно предполагают, что такие узоры образуются на Марсе из-за сублимации углекислотного льда — испарения без перехода в жидкую фазу. Лёд этот образуется на поверхности Марса зимой, когда атмосфера, которая состоит преимущественно из углекислого газа, частично вымерзает.
Команда исследователей из Великобритании и Ирландии провела серию лабораторных экспериментов, в которых воспроизводила условия на Марсе. Они помещали в герметичную камеру стеклянный песок с различным размером гранул, понижали в ней давление до уровня марсианской атмосферы (6 миллибар или ~0,006% от земного давления на уровне моря), а затем с помощью специального крюка помещали на песок блоки углекислотного льда. Как только лёд входил в контакт с более горячим песком, возникал эффект Лейденфроста — образование под блоком тончайшей прослойки газа, которая не даёт ему касаться с песком.
В повседневной жизни схожий эффект можно увидеть, если брызнуть водой на раскалённую сковороду — капли начнут плясать по поверхности, пока не испарятся. Разница только в том, что в экспериментах в газ превращалась не жидкость, а лёд. При этом на первых порах сублимация происходила настолько быстро, что блок льда кидало по всей экспериментальной камере, что немало удивило учёных. Как только температура песка уменьшалась до примерно -30 °C, скорость сублимации снижалась так, что блок переставал подпрыгивать и вращаться. Сублимированный газ стравливался через отверстие в середине ледяного блока, образуя струю. При этом увлекаемые потоком газа частички песка подбрасывались до верхней стенки камеры.
Когда учёные поднимали ледяной блок, на поверхности песка они находили ветвистые углубления, точно такие же (хотя и на порядки меньше), как марсианские «пауки». Их вытачивали потоки сублимированного углекислого газа. Чем крупнее были гранулы песка, тем более прямыми получались ветви аранеформ. Также их форма зависела от размера отверстия, через которое выходил газ.
Лабораторные исследования этого коллектива учёных стали первым эмпирическим доказательством механизма формирования «пауков». Но как это соотносится с реальными физическими условиями на Марсе?
Во время марсианской весны солнечные лучи проникают сквозь лёд и прогревают сразу подстилающую поверхность песка. В конце концов она разогревается теплее температуры сублимации углекислотного льда, и в точке контакта возникает эффект Лейденфроста. Газ скапливается, давление нарастает, затем он прорывается наружу и уносит с собой частички пыли и песка. В результате на поверхности Марса возникает небольшое углубление, которое своей формой повторяет пути сублимации углекислого газа, а пыль от выброса заполнит его и окрасит в тёмный цвет, либо разнесётся марсианским ветром в веерообразную форму.
Это исследование раскрывает любопытные особенности влияния сублимации льда на образование деталей рельефа на Марсе и других космических телах, таких как Европа и Энцелад. В будущем это позволит понять и другие похожие процессы и лучше спланировать их исследования космическими аппаратами. Авторы опубликовали свою работу в Nature: Scientific Reports.
Автор:
Дмитрий Логинов
Источники:
https://phys.org/news/2021-03-tackle-mars-topographic.html
https://www.nature.com/articles/s41598-021-82763-7.pdf
