Lód w kosmosie

Wpływ własności lodu na ewolucję komet i innych ciał kosmicznych

15560572326_04e4270207_o

Kometa 67P/Churyumov-Gerasimenko – wydmy przy mikrograwitacji? Credit: European Space Agency/NAVCAM.

Obecność lodu może powodować erozję sublimacyjną, jak również osunięcia lodowo skalne, lub pyłowe. Obserwacje powierzchni komety 9P/Tempel 1 w odstępie jednego okresu orbitalnego wskazują na cofnięcie się jednej ze skarp o nawet 50 m (Thomas et al., 2013), co świadczy o silnej lokalnej erozji powierzchni. Na tej samej komecie zostały zaobserwowane płaskie obszary, które według niektórych autorów wyglądają jak powstałe w wyniku spływów (osunięć) (Thomas et al., 2013).   Na powierzchni jądra komety 67P/Churyumov-Gerasimenko, obiektu pozbawionego stałej atmosfery i bardzo małego, bo o średnicy poniżej 10 km zostały zaobserwowane struktury o morfologii wydm. Ich pochodzenie jest nieznane.

Prowadzimy badania związku szybkości erozji sublimacyjnej ze składem i strukturą materiału tworzącego jądra komet i innych obiektów, zbudowanych w znacznym stopniu z lodu. W pracy Kossacki (2015) przedstawione zostały symulacje numeryczne zaobserwowanej (Thomas et al., 2013) ewolucji skarpy na komecie 9P/Tempel 1. Przeprowadzone modelowanie pokazało, że sublimacja lodu pod płaszczem pyłowym o grubości kilku milimetrów może prowadzić do zaobserwowanego cofania się skarpy o położeniu i orientacji takiej jak badana. Wcześniejsze symulacje sublimacji lodu przykrytego pyłem, przeprowadzone dla całego jądra tej komety wykazały, że płaszcz pyłowy prawdopodobnie ma bardzo zróżnicowaną grubość. Porównanie obserwowanych zmian całkowitej emisji pary z powierzchni jądra z wynikami obliczeń pokazało, że na powierzchni może wcale nie  być odkrytego lodu (Kossacki and Szutowicz, 2008). To przewidywanie zostało potwierdzone przez obserwacje dokonane za pomocą sondy Deep Impact. Badamy też procesy powstawania procesów osuwiskowych w warunkach mikrograwitacji, w tym możliwości powstania wielkoskalowej struktury o morfologii osuwiska, zaobserwowanej na powierzchni komety 9P/Tempel 1 (projekt ). Podstawą tych badań jest dokładna analiza szybkości sublimacji lodu, w tym z domieszkami substancji organicznych wykrytych w jadrach komet.

Instytut_IMG_1793_21-08-2014_zoom2

Komora próżniowa do badania procesów w warunkach zbliżonych do występujących na powierzchniach komet. Na zdjęciu widać także K.J. Kossackiego.

Klasyczna metoda obliczania szybkości sublimacji różnych materiałów (równanie Hertza-Knudsena, albo Hertza-Knudsena-Langmuira) nie uwzględnia mikrostruktury materiału. Pomiary laboratoryjne wskazują, że w zależności od warunków lód może sublimować nawet trzykrotnie wolniej niż przewiduje klasyczna formuła Hertza-Knudsena (np. Gundlach et al. 2011; Kossacki and Leliwa-Kopystynski, 2014). Odpowiednią poprawkę umożliwia wprowadzenie współczynnika sublimacji opisującego wpływ efektów mikroskalowych na proces sublimacji, w tym defektów sieci krystalicznej (np. Lamb, and Scott, 1972; Sei and Gonda, 1989; Gundlach et al. 2011; Kossacki and Leliwa-Kopystynski, 2014). Temperaturowa zależność współczynnika sublimacji lodu była badana przeważnie dla lodu czystego (np. Lamb, and Scott, 1972; Sei and Gonda, 1989, Kossacki et al., 1999; Gundlach et al. 2011; Kossacki and Leliwa-Kopystynski, 2014), ale wpływ domieszek mogących występować w lodzie kometarnym jest prawie nieznany. W pracy Kossacki and Leliwa-Kopystynski, 2014 zbadany został współczynnik sublimacji lodu z naturalnej wody źródlanej. Przy zawartości domieszek 760 mg/l zależność temperaturowa współczynnika sublimacji lodu jest zasadniczo inna niż dla lodu czystego. W instytucie Geofizyki na Wydziale Fizyki UW posiadamy laboratorium z komorą próżniową do badania procesów w warunkach zbliżonych do występujących na powierzchniach komet. Aktualnie realizujemy projekt (NCN B/ST10/02117, kierownik: K.J. Kossacki) obejmujący badanie szybkości sublimacji analogów kometarnych, głównie lodu wodnego z domieszkami substancji organicznych wykrytych w składzie komet, w szczególności komety 67P/Churyumov-Gerasimenko.

IMG_2254 (1)

Penetrator MUPUS (egzemplarz zapasowy) do badania wytrzymałości mechanicznej i temperatury warstwy powierzchniowej komety, oraz K.J. Kossacki. DLR Berlin.

Badamy także zmiany własności mechanicznych (wytrzymałości na ściskanie i rozrywanie) ziarnistego lodu i mieszanin lodowo-pyłowych tworzących jadra komet. K.J. Kossacki i J.Leliwa-Kopystyński uczestniczyli w eksperymencie MUPUS, realizowanym podczas misji Rosetta do komety 67P/Churyumov-Gerasimenko. Wyniki pierwszych w dziejach bezpośrednich pomiarów wytrzymałości mechanicznej  jądra komety wskazały na silną niejednorodność mechaniczną. Analiza danych inżynieryjnych i z akcelerometru dotyczących pierwszego zetknięcia z powierzchnią wskazuje na obecność ziarnistego materiału o wytrzymałości na ściskanie 1 kPa i grubości przynajmniej 20 cm, być może na twardym podłożu (Biele et al., 2015). W miejscu ostatecznego lądowania sondy Philae próbnik termiczny MUPUS tylko częściowo wbił się w materiał komety, co sugeruje lokalną wytrzymałość na przebijanie >4 Mp. Odpowiaqda to wytrzymałości na osiowe ściskanie >2 Mp. Materiał o takiej wytrzymałości może być zlepioną (sintered) mikroporowatą mieszaniną pyłowo lodową o porowatości 30 to 65% (Spohn et al., 2015, Kossacki et al., 2015).

Inne badania

– Mars – symulacje ewolucji lodu gruntowego na Marsie (np. Kossacki et al. 2011), możliwości epizodycznego występowania wody w stanie ciekłym (np. Kossacki and Markiewicz, 2002; Kossacki and Markiewicz, 2010; Kossacki and Markiewicz, 2014).

– Analiza ewolucji cyklu węglowego na Ziemi w skali milionów lat (umowa międzyrządowa, projekt koordynowany przez K. J. Kossackiego – projekt zakończony). Publikacje powstałe w wyniku projektu: Franck et al., 1999; Franck et al., 2002.