Как бразильские орехи ведут себя на Марсе?

Гранулярная конвекция, часто называемая эффектом бразильского ореха, — чрезвычайно простой (в основном) процесс. Если взять контейнер с орехами всех видов, то самые крупные при периодическом встряхивании окажутся наверху. Факторов здесь масса, но основной момент заключается в том, что при вибрации в содержимом контейнера образуются пустоты, куда могут попасть орехи поменьше, а крупные, такие как тот же бразильский, нет. В итоге «мелочь» уходит вниз, а «большая рыба» — вверх, что, если хотите, можно обозвать социал-дарвинизмом среди орехов.

Однако модель такой ситуации пригодна не только для живописания классовой борьбы семян и плодов на манер Джанни Родари. Такой процесс постоянно происходит на поверхности планет и астероидов. Его классическим примером можно назвать частое формирование слоя из крупных песчинок по берегам больших земных водоёмов. Ясно, что интенсивность процесса в зависимости от гравитации должна быть различна, но насколько он значим за пределами Земли?

Собственно эффект (фото Wikimedia Commons).

Сегодня с помощью Карстена Гюттлера Carsten Güttler и его коллег из Брауншвейгского технического университета (Германия) мы впервые получили ответ на этот волнующий вопрос.

Для того чтобы сравнивать значимость гранулярной конвенции на Земле и в условиях гравитации других планет и астероидов, сначала один и тот же гранулярный массив был изучен в лаборатории, а затем на борту грузового широкофюзеляжного A300, выделывавшего различные манёвры в виде парабол, чтобы имитировать низкое тяготение на поверхности Луны и Марса. Оставим в стороне сам собой напрашивающийся вопрос о том, в чьём воздушном пространстве учёным дали разрешение на такие шалости с не слишком, мягко говоря, предназначенным для этого самолётом. Обратимся к результатам!

В начале каждого эксперимента г-н Гюттлер и компания размешали на дне контейнера зелёные стеклянные шарики диаметром 8 мм, а весь остальной объём ёмкости заполнялся шариками в 1 мм.

В полёте перемешивание шариков обеспечивалось устройством для тряски; затем результаты сравнивались с полученными в других условиях. Так вот, при параметрах, соответствующих земной гравитации (в лаборатории), гранулярная конвекция была сильнее, причём зависимость грубо можно представить как линейную. То есть на Марсе и Луне орехи бóльших размеров (породы, состоящие из больших частиц) добрались бы до верха контейнера не так быстро (в зонах сейсмической активности, конечно), чем на Земле.

Схема экспериментальной установки (иллюстрация Carsten Güttler et al.).

Однако исследователи утверждают, что чем слабее гравитация, тем менее соблюдение этого принципа похоже на линейное, и при тяготении в сотни раз меньше земного (астероиды) силы сцепления между частицами пород могут иметь большее значение, чем собственно гравитация. А значит, если человечество собирается разрабатывать астероиды, то ударные деформации при этом надо осуществлять с учётом последствий, значительно отличающихся от привычных в земном горном деле.

На самом деле, конечно, к технике безопасности астероидного и кометного бурения результаты не сводятся. Фактически всё это значит, что геологические процессы гранулярной конвекции при малой гравитации могут происходить гораздо медленнее, чем на Земле. То есть многие текущие датировки геологических образований того же Марса или Луны (не говоря уже о меньших телах) могут быть ошибочными.

С препринтом рассмотренного исследования можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Technology Review.