A víz szerepe a Mars felszínfejlődésében

A víz szerepe a Mars felszínfejlődésében Marskutatás speciális kollégium Kereszturi Ákos Collegium Budapest, ELTE Természetföldrajzi Tanszék, Magyar Csillagászati Egyesület [email protected]

Kereszturi Ákos: A víz szerepe a Mars felszínfejlődésében, ELTE TTK Mars-kutatás speciális kollégium

A víz szerepei a Mars fejlődéstörténetében • vízgőz szerepe • felhők sugárzási mérleg

éghajlat

• folyékony víz szerepe • mélységi víz • ásványok hidratációja, kémiai átalakulás • köpeny anyagának képlékenyebbé tétele • olvadáspont csökkentése • vulkánkitörések robbanásos jellegének elősegítése • fluidnyomás rheológia • felszín • mállás és kémiai átalakulások elősegítése • felszíni erózió / akkumuláció • vízjég szerepe: • albedo időjárás, éghajlat • felszín morfológia (gleccserek, kriokarszt formák, lejtős tömegmozgások) • besugérzással élénken változik, vándorol rásegít a változásokra


A víz felszíni előfordulására utaló nyomok • kigázolgási elméletek • 14N/15N arány oxigén mennyiség • vízfeltörések nyomai • vízfolyásnyomok • állóvíz partvonalnyomai • keresztrétegzett üledékek (Eagle-kráter) ?

Nomenklatúra problémái A Földön jól definiált fogalmak, alkalmazásuk a Marsra nem egyértelmű • meder (egykor vízzel kitöltött) • völgy (többféle eróziós folyamattal mélyített) • csatorna • tó/tenger/óceán


A Mars H2O készlete A H2O jelenlegi eloszlása a Marson • légkörben • max. északon a helyi nyár idején • max. kb. 100 mikrométer • átl. 10-20 mikrométer • pólussapka • 106 km3 • globális egyenérték 1-2 m (5-10%) (antarktiszi jégpajzs 36%-a) • poláris réteges üledékek • globális egyenérték 11 m (1020%) • kroiszféra 50-500 m egyenérték (60-90%)


Vízfolyásnyomok Vizes eredetre utal: • lejtős haladási irány • áramlási nyomok • szigetek • teraszok • egymással összekapcsolódó hálózat • forrásrégiók helyzete • a Mars fejlődéstörténete • az alternatív magyarázatok (jég erózió, lávafolyások, széndioxid feltöréssel kapcsolatos törmelékárak, folyékony széndioxid áramlása) kizárása

Vízfolyásnyomok típusai: • déli felföldeken lévő hálózatos csatornák • idős elágazó rendszerek • magányos csatornák • vulkánok lejtőin lévő csatornák • vulkáni központok körüli áradásos csatornák


Hálózatos csatornák • Noachian kor, >3,5 milliárd év • déli felföldeken • Tharsis keletkezése után Viking

Themis


Hálózatos csatornák • ált. 1000 km-nél rövidebbek • 10 km-nél keskenyebbek • 100-600 m mélyek • csak meredek vidékeken, főleg kráterek lejtőin • folyásirányban alig szélesedik • mellékvölgyek a fő völgyére hasonlítanak • mellékágból álló hálózatok • magas eróziós ráták


Hálózatos csatornák • partjuk mellett nincs vízáramlásra utaló nyom • kanyarognak • sok elvégződésénél nincs üledék • de alluviális legyezők és delták is vannak


Hálózatos csatornák • partjuk mellett nincs vízáramlásra utaló nyom • kanyarognak • sok elvégződésénél nincs üledék • de alluviális legyezők és delták is vannak • és sok sóüledék • magas klór tartalmú • mélyedésekben • nem vezet mindegyikbe vízfolyásnyom


Hálózatos csatornák Keletkezés: • esőzések és felszíni lefolyás • melegebb éghajlattól • helyi esők becsapódásoktól • felszíni jég megolvadása • magma benyomulások felett • becsapódás visszahulló forró törmeléke felszín alatti szivárgás + beszakadás Legelfogadottabb: • felszín alatti víz ahol a felszínre ért • nagy főkör mentén • valódi pólusvándorlás? • aszimmetrikus víz eloszlást okozhat: • Hellas párolgása leszívja a környéket • Tharsis levezeti a környékre

Forgástengely vándorlás: • vízrendszer reakciója lassú • párolgásos / lefolyásos időszakok váltakozása


Vízfolyásnyomok vulkánok lejtőin Csak néhány vulkánon (pl.: Ceranium Tholus, Hecates Tholus) Ceranius Tholus • vízfolyásnyomok a lejtőn • legnagyobb folyásnyom tetőkalderából indul


Vízfolyásnyomok vulkánok lejtőin Csak néhány vulkánon, pl.: Ceranium Tholus, Hecates Tholus Ceranius Tholus • vízfolyásnyomok a lejtőn • legnagyobb folyásnyom tetőkalderából indul • elvégződésénél Rahe-kréterben üledékes lerakódás • keletkezés: • felhalmozódott jég olvadása • együtt szükséges: • magas geotermikus hőáram (100200 mW/m2) • 100-200 m vastag jég lerakódása éghajlatváltozás miatt • nem minden vulkánon


Áradásos csatornák • déli felföldekről • északi mély síkságok felé • vulkánok körül • Chryse Planitia • Valles Marineris • Elysium környéke • Hellas környéke


Áradásos csatornák • összetört blokkokból álló káosz területekről, vagy tektonikus törésektől erednek • vízhozam millió m3/s nagyságrendű • akár felső jégborítás alatt is folyhattak (nem kell meleg klíma) • nagyon erős erózió • aktív időszak: napok-hetek


Áradásos csatornák • szélesség kb. 10 km • hossz >1000 km is • teljes szélességben indulnak • enyhén kanyargó, fonatos mintázat • kiemelkedések mögött hosszúkás szigetek • teraszos fal változó vízhozam Két típus: • szabad (unconfined), gyengén körvonalazható • zárt avagy irányított (confined) Anomális üledék lerakódás: • Tiu és az Ares-völgyek feneke folyásirányba emelkedik (0,5; 1,2; 0,5 m/km-t)


Áradásos csatornák • szélesség kb. 10 km • hossz >1000 km is • teljes szélességben indulnak • enyhén kanyargó, fonatos mintázat • kiemelkedések mögött hosszúkás szigetek • teraszos fal változó vízhozam Két típus: • szabad (unconfined), gyengén körvonalazható • zárt avagy irányított (confined) Anomális üledék lerakódás: • Tiu és az Ares-völgyek feneke folyásirányba emelkedik (0,5; 1,2; 0,5 m/km-t)


Áradásos csatornák Keletkezés (1,2-3,7 milliárd éve): • felszín alatti víztározókból • zárt tavakból • nyomás alatt lévő vizek • vetődés, csuszamlás, rengés, vulkán • probléma: • H2O nem juthat a krioszféra alá • kivéve ha krioszféra olvad vagy juvenilis • jégsapka alsó olvadása • pórustér feltöltés: kb. 10 millió év • artézi vízrendszer keletkezik • de jégsapka nem elég jó, mert: • nagy vízhozamhoz túl távoli forrás, anomálisan nagy permeabilitás kellene • áradások forrásvidékei a maximális vízszinthez közeliek • Elysium- és Tharsis-hátság helyi vízutánpótlás hatékonyabb: • kisebb távolság • magasabb felszín alatti vízszint


Vízfeltörések • kisebb vulkán-jég kölcsönhatások • Elysium, Tharsis • elmúlt 10-50 millió évben is • Elysium: Cerberus Fossae • törés + telér benyomulás • „iszap gejzírek” • lefolyás: Athabasca Valles • befagyott tó


Vízfeltörések • kisebb vulkán-jég kölcsönhatások • Elysium, Tharsis • elmúlt 10-50 millió évben is • Elysium: Cerberus Fossae • törés + telér benyomulás • „iszap gejzírek” • lefolyás: Athabasca Valles • befagyott tó


Áradásos csatornák

Keletkezés: • ferde forgástengelyénél vulkánokon jég lerakódás • vulkáni aktivitás, magas geotermikus hőáram krioszféra kinyílik felszínről H2O beáramlás • jég olvadás, felszín alá szivárgás

The Martian hydrologic system: Multiple recharge centers at large volcanic provinces and the contribution of snowmelt to outflow channel activity, Patrick S. Russella, James W. Head, Planetary and Space Science 55 (2007) 315– 332


Vízfeltörések • déli pólussapka vízfeltörés • Hellas felé magaslatok, Argyrebe folyt • Argyre felé Charitum Montesbe folyóvölgyek bevágódás • D: Surius-, Dzigai K: Palacopa Valles • D-Argyre: hordaléklerakódás • Argyre túlcsordult É felé: Nia, Uzboi, Meridiani Valles • elvégződés: Meridiani-partvonal (óceán?)


Északi óceán lehetősége Óceán létére utal • partvonalnyomok • de bizonytalanok • eltérő magassági szintben • lehet globális elfordulás • nagy H2O mennyiség • sík, feltöltött terület • áradásos csatornák ide érkeznek


Északi óceán lehetősége • kezdeti hosszú óceáni időszak • később az áradások nyomán rövidebb részóceáni feltöltések


Északi óceán lehetősége Óceáni időszakok vége: • vízfelszín befagy • jég lassan elszublimál • része délen felhalmozódik • részben ma is az északi síkságok anyagában lehet


Folyóvizi eredetű üledékes feltöltések • nem csak folyóvíz, hanem képlékeny törmelékáramlásos is lehet • kanyargó meanderek tartós aktivitás • lebenyes hordalékkúpok rövid aktivitás


Kisebb állóvizek Időszakos vízfolyásoktól, víz feltörésektől, vulkáni eredetű jég olvadástól Krátertavak: • befagyás 102-105 év alatt • felszín alatti víz cirkuláció • kémiai átalakulás • asztrobiológiai jelentőség


Felszín alatti vízmozgás Elméleti rétegződés lefelé a kőzetburokban: • jég a kőzetrepedésekben (krioszféra) • gáz a kőzetrepedésekben • folyékony víz a kőzetrepedésekben • Becslés: kb. 15 K/km geotermikus gradiens 1 km vastag H2O réteget tud a krioszféra aljára szállítani 106-107 év alatt


Felszíni víz mai lehetősége Szükséges: • megfelelő p/T viszonyok • kellő mennyiségű H2O • hőbevétel az olvadáspont környékén haladja meg a hőveszteséget Probléma: • kis légnyomás • általában túl hideg • ahol ideálisak a viszonyok, ott a vízjég sem marad sokáig • fagy képződése: Viking-2 in-situ 210 K-en kb. 10-5 cm/s körüli vízjég A megolvadás lehetséges okai: • besugárzásos • besugárzás + szilárd fázisú üvegházhatás • + sötét por hatása


Felszíni víz mai lehetősége Csak besugárzásos úton: • szükséges hőmérséklet • egyenlítőtől délre, közepes és alacsony szélességeken • itt azonban magas területek légnyomás a hármaspont alatt • szükséges nyomás: • északi féltekén és délen a Hellas-, és Argyre medencében Szükséges hőmérséklet és nyomás együtt: • ha az apszisvonal kb. 180 fokkal elfordul • erre néhány 10 ezer évente kerülhet sor • utoljára kb. 25 ezer évvel ezelőtt Folyékony állapot fenntartása: • hőmérséklet és a nyomás a hármaspont felett legyen (0 °C és 6,11 mbar) • a hőmérséklet a nyomásfüggő forráspont alatt legyen (+2 és +7 °C) • energia-bevétel fedezze a hőleadást


Felszíni víz mai lehetősége Megfagyás: • hőnek el kell távoznia • modellek: max. cm/h sebességgel fagy a tiszta víz a Marson • a Földel ellentétben a légköri hőmérséklet kevésbé befolyásolja a megolvadást, mivel a párolgásos hűlés hatása erősebb, mint a légkörrel lezajló konvektív hőcsere • a ritka légkör miatt a konvektív hőveszteség kisebb, mint a Földön • párolgáskor elszállított hőveszteség nagyobb a Földnél, mivel a ritka légkörben a vízmolekulák átlagos szabad úthossza hosszabb • a lefelé irányuló hőveszteség a modellek szerint ez a jégen kicsit nagyobb, mint a jobb hőszigetelő, porózus marstalajon Elforrás: • folyadék telítési gőznyomása > légnyomás buborékképződés • tiszta víz általában forr a Marson • a hármaspontnál érvényes nyomás sok brine (tömény sóoldat) esetében alacsonyabb lehet a jelenlegi átlagos légköri nyomásnál Párolgás: • a szűk hőmérsékleti intervallumot növelhetjük fagyáspontcsökkentő sókkal • sótartalom az olvadáspont mellett a vízgőznyomást is lecsökkentheti. • a felszínen szulfátok 8-15%, kloridok és bromidok 0,5-1,5% Kereszturi Ákos: A víz szerepe a Mars felszínfejlődésében, ELTE TTK Mars-kutatás speciális kollégium

Felszíni víz mai lehetősége Ideális helyszínek: • légnyomás szempontjából főleg az északi síkságon, délen Argyre- és Hellasmedencékben • hőmérséklet szempontjából: az é.sz. 30 foknál magasabb szélességen ma még átmenetileg sincs elég meleg, a déli félteke az ideális • ahol a hőmérsékleti és a légnyomás kritériumok is megfelelőek egy ideig: Amazonis Planitia, Ny-Arabia, déli Isidis és Elysium Planitia, Hellas, Argyre. • itt is csak napközben, tiszta víznél ez néhány óra kora délután További bizonytalan elméleti lehetőségek a víz előfordulásával kapcsolatban: • reggeli víz: az éjszaka képződött fagy a reggeli napsugárzástól melegszik, szublimál. De a ritka marslégkörben lassan ébrednek a szelek, és ha a szublimáló fagyréteg feletti légréteg vízgőzben telített lesz, több H2O-t nem vesz fel, de a fagy tovább melegszik akár folyékony víz is megjelenhet • a makroszkópikus viselkedéstől elétérő mikroszkópikus vízfilm adszorbeált víz van formájában


Mai lehetséges vízfolyásnyomok Sárfolyások • lejtőkön • eróziós és akkumulációs képződmények • forrásaik mélyedések, amelyek a lejtők tetejétől lefelé kb. 1/3 úton • a lejtő lábánál szétterülő akkumulációs szerkezet • 30 foknál magasabb szélességen jellemzők • 1 millió évnél fiatalabbak • egy átlagos sárfolyás kialakulásához kb. 1000-3000 m3 víz kell


Mai lehetséges vízfolyásnyomok Keletkezés • felszín alól származó vízfeltörések fagynyomástól • csuszamlásokkor a vízjeget tartalmazó rétegek megfolyósodik, avagy a sekély vízrétegből kifolyik • olvadó hófoltok


Földi analógiák • Devon-sziget • sarki sivatag • olvadó hófoltok


Mai lehetséges vízfolyásnyomok Lejtősávok (nyakkendők) • ma is aktív folyamatok alakítják • lejtős területeken • általában lefelé szélesedő • környezetüknél általában sötétebb, ritkábban világosabb • elvégződésüknél nincs lerakódás • idővel világosodnak, valószínűleg a rájuk rakódó por miatt

Keletkezés: • porlavina modell • folyékony vizes modell Fontos: kísérletek alapján csökkentett gravitációs térben víz nélkül is Keletkezhetnek ilyenek (pl. Holdon is)


Mai lehetséges vízfolyásnyomok Sötét dűnefoltok (Dark Dune Spots) lejtősávjai: • sarkvidéki területen • általában lejtőkön, lejtésirányba nyúlnak el • környezetüknél sötétebb • egymás mellett ívelt alakúak • sötét dűnéken • tavasszal szublimáló fagyott széndioxid takarón • évszakosan hasonló helyen megjelenő • lejtőlábi elvégződésénél akkumulációs szerkezet

keletkezés: • diffúz szélkifúvástól • éles: lejtőirányú mozgás


Olvadáspont csökkentő sók Sók a Marson • elmélet: ásványok mállásával oldatba megy: Si, Fe, S, Mg, Ca, Cl, Na, K and Al • mai megfigyelések: sok szulfát, klorid (Fairen Nature 2009)

Sóoldatok: • várható marsi anyagok mellett 220-250 K olvadáspont is • modellszámítás pl.: 223K-en teljes H2O készlet 6%-a is folyékony lehet Kedvező lehetőségek • nem kell meleg • némelyik mai hőmérsékleti viszonyok alatt is lehetséges • sóoldat párolgásakor egyre jobban betöményedik egyre alacsonyabb olvadáspont


Víz mikroszkópikus méretskálán 1. Kapilláris víz ? 2. „Interfacial” víz Keletkezés: • vízjég + ásványi felületek érintkezésénél • van der Waals erők miatt Jellemzők: • néhány molekulányi „folyékony” réteg • molekulák oldalirányban mobilisak • 2 dimenziós folyadék • vékony: 1-10 nm-es réteg • kb. -75 C-ig létezik

Deidrich Möhlmann 2007

Következmények: • kémiai változások • mechanikai elmozdulás?


Felszíni alatti víz mai lehetősége • felszín alatti jég nyomai • elméleti modellek • fiatal felszíni vulkáni nyomok geotermikus fűtés


A víz szerepének változása a bolygó fejlődése során Folyékony víz kezdetekben • felszíni lefolyás (csapadék + felszín alatti hozzáfolyás) • erős erózió • kémiai mállás vízben (agyagok) Később víz időszakos megjelenése: felszíni jég olvadással vagy mélységi vízből • áradások a felszín alól • olvadás vulkánokon és pólussapkában • két fontos összetevő: • pályaelem változás jégvándorlás • vulkáni hő • tavi időszakok, részóceáni feltöltések, szulfátos üledékek hideg vízből De általában: • száraz + hideg • jég vándorlás • víz megjelenés ritkán


Fejlődéstörténeti jellemzők


Fejlődéstörténeti jellemzők Mai H2O migráció


A víz szerepe a Mars felszínfejlődésében

Recommend Documents