Впервые температуру грунта на глубине в 1,5 сантиметра замерила посадочная станция Phoenix. Температура грунта является очень важным параметром для понимания его свойств: при ее помощи определяются скорости и направление физических процессов в грунте, как температура грунта изменяется по глубине и во времени. Температура прямо показывает на скорости химических реакций, происходящих в грунте, включая потенциальные биологические процессы.
Температура почвы меняется во времени и пространстве, в основном из-за изменений на поверхности и переноса тепла в почве за счет теплопроводности твердого тела, адвекции тепла через перенос газа и скрытого теплообмена, например, при замерзании и оттаивании.
Ученым удалось проанализировать изменения температуры на глубине до 36 сантиметров (реально - с глубины около 18 сантиметров, так как "крот" располагался под углом к вертикали в 30 градусов) с использованием оборудования станции InSight Mars. Посадочный модуль располагался вблизи экватора с координатами: 4,502° с. ш., 135,623° в. д. Грунт состоит из ранних лавовых потоков со слабо консолидированным реголитом (то есть рассыпчатым песком с уменьшенным содержанием воды). Атмосферные и приповерхностные условия для InSight в целом аналогичны условиям в экваториальной области Марса (в пределах ±30°). Это делает данные репрезентативными примерно для половины поверхности планеты.
Первоначально планировалось, что посадочный модуль будет измерять поток тепла на поверхности планеты, а также тепловые и механические свойства марсианского грунта на глубине до 5 м. Датчики температуры на тросе длиной 5 м должны были доставлены на целевую глубину 3–5 м с помощью небольшого пенетратора, прозванного кротом. После проникновения на глубину теплопроводность должна была измеряться на регулярных интервалах глубины с помощью специального датчика (TEM-A) на кроте.
40-сантиметровый крот, которому требуется трение корпуса об грунт для уравновешивания остаточной отдачи от его внутреннего ударного механизма, не проник на целевую глубину. Первопричиной неудачи стало отсутствие трения в неожиданно толстом связном — возможно, сцементированном — дюрикрусте (твердого слоя корки, которая образовалась соляным раствором).
Данные с орбиты показывали, что в этом месте находится только рыхлый песок (реголит) и никакой корки не ожидалось. Однако, "крот" смог проникнуть только на глубину 36 сантиметров, хотя ему пытались помочь нажатием на его заднюю крышку.
Запись вхождения крота в грунт ясно показывает слоистость почвы и ее термомеханические свойства: дюрикруст толщиной 7–20 см (сравните рисунок 1) под слоем песка и пыли толщиной 1–2 см. За коркой дюрикруста следует слой песка толщиной 10–23 см, затем смесь гравия и песка. Дюрикруст имеет сопротивление проникновению 0,3–0,7 МПа, в то время как слой гравия имеет сопротивление 4,9 ± 0,4 МПа. С помощью датчика теплопроводности крота TEM-A была измерена средняя теплопроводность и ограничена плотность почвы. Теплопроводность для диапазона глубины крота составила 0,039 ± 0,002 Вт/м·К. Это значение изменяется на ±5% в зависимости от сезона (солнечная долгота от 8° до 210°) и атмосферного давления.
На рисунке слева схематически изображен "крот" и стратиграфия почвы.
На снимке справа показано, что ямка с "кротом" полностью заполнена грунтом, который уплотнен ковшом роботизированной руки.
Было произведено 7 измерений теплопроводности грунта на Марсе и регистрировалась температура в течение 48 часов через каждые 15 секунд. Кроме того, измерялась температура двигателя в "кроте", когда он работал.
Длина "крота" примерно в 10 раз больше его диаметра, что позволяет его использовать в качестве линейного зонда источника тепла. Корпус "крота" изготовлен из алюминия с высокой теплопроводностью приблизительно 200 Вт/м·К, что на порядки выше ожидаемой теплопроводности грунта. Другие части крота, такие как наконечник, изготовлены из механически более прочных материалов с меньшей теплопроводностью, но их теплопроводность все еще выше, чем у грунта. Датчик температуры состоит из тонких медных полосок, напечатанных на специальной фольге, электрическое сопротивление которых зависит от температуры. Эту конструкцию можно также нагревать для измерения теплопроводности.
Датчик температуры двигателя "крота" представляет из себя обычную термопару, приклеенную к двигателю.
Точность первого температурного датчика гораздо выше точности датчика температуры двигателя, но его работа требует большего расхода энергии.
Первое 48-часовое измерение температуры грунта было проведено на 680 сол пребывания станции InSight на Марсе. Затем, измерения были произведены на 686 и 734 солах.
На 754 сол двигатель "крота" был снова включен, так как команда управления надеялась, что грунт немного затвердеет. Было сделано 506 ударов, но "крот" стоял на месте.
На 795 сол был сделан только один удар, чтобы в разрытой кротом яме просел грунт. После этого "крот" не двигался и следующие шесть измерений температуры и теплопроводности (каждое по 48 часов) были сделаны в одном и том же положении.
Графики температур по измерениям показы на следующем рисунке:
Как вы видите - на верхнем графике показаны изменения температуры грунта в течение марсианских суток. Температурные кривые почти одинаковые, за исключение сола 681. Этот сол был очень пыльным и солнечные лучи не могли нагреть грунт. Мы видим, что после местного полудня температура грунта нагревалась (но это было медленнее того, чем ожидалось. Вероятно, это было из-за того, что тень от ковша падала на место, где был закопан "крот"
На нижнем графике показано изменение усредненной температуры поверхности грунта и на глубине в течении одного марсианского года. Температуры измерялись в 6 утра и в час дня.
Серые точки - доступные 24-часовые усредненные температуры поверхности.
Пунктирная серая линия показывает оценку 24-часовой средней температуры с использованием суточных минимальных и максимальных температур за 2-й год на поверхности.
Температуру на поверхности измерял оптический датчик RAD на расстоянии, примерно, 4 метра от центра посадочного модуля.
Температура грунта на глубине изменялась на 5 градусов Кельвина для самого холодного сола (871) и на 7 градусов - для самого теплого (1202 сол). Среднегодовая температура под поверхностью составила 217,5К (= минус 56С), среднегодовая температура поверхности составляет 221,6К (= минус 52С).
Используя опубликованные значения теплопроводности и инерции вместе с коэффициентами диффузии, для этих глубин были получены плотности грунта в 1470 и 1730 кг/м3. Обнаруженные температуры допускают наличие тонких пленок рассола, высушивание которых может объяснить наблюдаемую цементированную корку.
Адаптированный перевод Оригинал статьи
С уважением,
Как показывает политика Дзена, ни от автора, ни от читателей ничего не зависит. Поэтому призываю просто общаться.
Если вдруг у вас возникнет мысль помочь автору, то вам сюда:
карта YooMoney 4048 4150 2131 6829
Если подпишетесь, то Вы всегда будете в курсе новых публикаций.
Если поделитесь, то совсем будет хорошо.
Подвал