A víz szerepe a Mars felszínfejlődésében

Átírás

1 A víz szerepe a Mars felszínfejlődésében Marskutatás speciális kollégium Kereszturi Ákos Collegium Budapest, ELTE Természetföldrajzi Tanszék, Magyar Csillagászati Egyesület kru@mcse.hu

2 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

3 A víz felszíni előfordulására utaló nyomok kigázolgási elméletek 14 N/ 15 N 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

4 A Mars H 2 O készlete A H 2 O jelenlegi eloszlása a Marson légkörben max. északon a helyi nyár idején max. kb. 100 mikrométer átl mikrométer pólussapka 10 6 km 3 globális egyenérték 1-2 m (5-10%) (antarktiszi jégpajzs 3-6%-a) poláris réteges üledékek globális egyenérték 11 m (10-20%) kroiszféra m egyenérték (60-90%)

5 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

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

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

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

9 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

10 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

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

12 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 ( mw/m 2 ) m vastag jég lerakódása éghajlatváltozás miatt nem minden vulkánon

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

14 Áradásos csatornák összetört blokkokból álló káosz területekről, vagy tektonikus törésektől erednek vízhozam millió m 3 /s nagyságrendű akár felső jégborítás alatt is folyhattak (nem kell meleg klíma) nagyon erős erózió aktív időszak: napok-hetek

15 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)

16 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)

17 Áradásos csatornák Keletkezés (1,2-3,7 milliárd éve): felszín alatti víztározókból zárt tavakból nyomás alatt lévő vizek vetődés, csuszamlás, rengés, vulkán probléma: H 2 O 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

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

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

20 Áradásos csatornák Keletkezés: ferde forgástengelyénél vulkánokon jég lerakódás vulkáni aktivitás, magas geotermikus hőáram krioszféra kinyílik felszínről H 2 O 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)

21 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?)

22 Északi óceán lehetősége Óceán létére utal partvonalnyomok de bizonytalanok eltérő magassági szintben lehet globális elfordulás nagy H 2 O mennyiség sík, feltöltött terület áradásos csatornák ide érkeznek

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

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

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

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

27 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 H 2 O réteget tud a krioszféra aljára szállítani év alatt

28 Felszíni víz mai lehetősége Szükséges: megfelelő p/t viszonyok kellő mennyiségű H 2 O 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 cm/s körüli vízjég A megolvadás lehetséges okai: besugárzásos besugárzás + szilárd fázisú üvegházhatás + sötét por hatása

29 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

30 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%

31 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 H 2 O-t nem vesz fel, de a fagy tovább melegszik akár folyékony víz is megjelenhet a makroszkópikus viselkedéstől elétérő mikroszkópikus vízfilm adszorbeált víz van formájában

32 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 m 3 víz kell

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

34 Földi analógiák Devon-sziget sarki sivatag olvadó hófoltok

35 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)

36 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

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

38 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?

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

40 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

41 Fejlődéstörténeti jellemzők

42 Fejlődéstörténeti jellemzők Mai H 2 O migráció