Effusive sedimentary volcanism experimentally reproduced under Martian-like conditions
Diese Studie zeigt durch Experimente und Modellierungen auf, dass schnelles Sieden unter marsähnlichen Niederdruckbedingungen die sedimentäre Vulkanismus aktiv aufrechterhält, indem es gekoppelte ballistisch-effusive Schlammeruptionen antreibt, anstatt sie, wie bisher angenommen, zu unterdrücken.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich vor, Sie sind ein Detektiv, der versucht, ein Rätsel darüber zu lösen, wie Planeten ihre Beulen und Platzwunden bekommen. Lange Zeit waren Wissenschaftler über seltsame, schlammig aussehende Hügel und Flüsse auf dem Mars und auf Eismonden wie Europa rätselhaft. Sie sehen so aus, als wären sie durch Vulkane entstanden, aber es gibt ein Problem: Die Luft auf dem Mars ist so dünn (fast ein Vakuum) und so kalt, dass, wenn man dort einen Eimer Wasser verschütten würde, es sofort sieden, gefrieren und zu einem festen Eisblock werden müsste. Es ist, als versuche man, einen Schneeball in einem Hochofen zu bauen; die Physik legt nahe, dass flüssiger Schlamm nicht fließen oder Berge bilden könnte, weil er gefrieren würde, bevor er sich bewegen kann. Das ist die große Frage: Wie könnten „Schlammvulkane“ jemals in einer solch lebensfeindlichen, frostigen Umgebung entstehen? Um dies zu verstehen, müssen wir zuerst einiges wissen. Erstens ist „metastabile Flüssigkeit“ nur eine schicke Art zu sagen, dass eine Flüssigkeit technisch gesehen instabil ist und den Zustand ändern möchte (wie Wasser, das eigentlich verdampfen oder gefrieren will), aber dies noch nicht ganz getan hat. Zweitens ist „sedimentärer Vulkanismus“ das, was passiert, wenn Schlamm oder ein Brei aus dem Boden ausbricht und Kegel aufbaut oder wie Lava fließt, jedoch aus nassem Dreck statt aus heißem Gestein besteht. Schließlich ist „Kryovulkanismus“ die eisige Version davon, also wenn Wasser oder Matsch auf gefrorenen Welten ausbricht. Das Rätsel ist, ob diese Flüssigkeiten tatsächlich flüssig bleiben und lange genug fließen können, um die Landformen zu bilden, die wir sehen, oder ob sie einfach sofort fest gefrieren.
Hier tritt ein Team von Wissenschaftlern auf den Plan, das beschlossen hat, nicht länger zu raten, sondern ein Mini-Mars im Labor zu bauen. Sie wollten sehen, was passiert, wenn man einen Eimer nassen, schlammigen Brei plötzlich der dünnen, kalten Marsluft aussetzt. Anstatt einfach nur Schlamm in eine Vakuumkammer zu gießen (was ihn zu schnell gefrieren ließe), kamen sie auf einen cleveren Trick. Sie bauten einen „Schnellkochtopf“ aus Eis. Sie nahmen ein Tablett mit Sand, froren ihn ein und gossen ihre spezielle Schlammmischung (Wasser, Magnesiumsulfat und Ton) in eine Vertiefung. Dann ließen sie die Oberfläche dieses Schlamms gefrieren, wodurch ein harter, eisiger Deckel entstand. Dieser Deckel hielt den flüssigen Schlamm darunter gefangen und hielt ihn unter Druck. Sobald der Deckel stabil genug war, erhitzten sie die Unterseite des Tabletts nur ein winziges Stück. Diese Hitze schwächte den Eisdeckel von unten her ab, bis er aufplatzte!
Als diese Eisversiegelung platzte, wurde der gefangene Schlamm plötzlich dem niedrigen Druck der Kammer ausgesetzt (etwa 4,5 mbar, was dem Luftdruck auf dem Mars entspricht). Die Wissenschaftler hatten erwartet, dass der Schlamm sofort gefrieren und aufhören würde, sich zu bewegen. Stattdessen passierte etwas Wildes. Der plötzliche Druckabfall ließ das im Schlamm eingeschlossene Wasser heftig sieden. Dieses Sieden stoppte den Ausbruch nicht; es antrieb ihn an. Das Blubbern erzeugte einen Druck, der den Schlamm wie eine Geysir aus dem Boden schoss.
Das Experiment zeigte, dass der Ausbruch in zwei deutlichen Akten stattfand, ähnlich wie bei einem Rockkonzert. Zuerst gab es eine „ballistische“ Phase. Der siedende Schlamm schoss in kleinen Tropfen und Brocken heraus, flog durch die Luft und landete in einem Ring um das Loch. Es sah aus wie ein Schlammbrunnen. Einige der kleineren Tropfen flogen weit weg, während die größeren, schwereren Brocken direkt neben der Austrittsstelle landeten. Hier liegt der magische Teil: Obwohl die Außenseite dieser Tropfen sofort zu einer dünnen, eisigen Schale gefror (wie eine Schokoladenüberzug bei einem heißen Fudge-Pudding), blieb das Innere warm und flüssig. Da sie in der Nähe der Austrittsstelle landeten, häuften sie sich auf.
Dann kam der zweite Akt: die „effusive“ Phase. Während sich der Schlamm in der Nähe des Lochs immer weiter anhäufte, begann er zu verschmelzen. Die warmen, flüssigen Zentren der gefrorenen Tropfen schmolzen zusammen und bildeten einen kontinuierlichen, fließenden Schlammfluss, der sich über den Sand ausbreitete. Der Ausbruch entwickelte sich vom Ausschiessen von Schlamm in die Luft hin zum langsamen Ausfließen, wodurch ein kleiner Kegel aufgebaut wurde und der Schlamm an den Seiten hinablief. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Größe des unterirdischen „Reservoirs“ eine große Rolle spielte. Ein kleineres Reservoir erzeugte einen ordentlichen, steilen Kegel, während ein größeres Reservoir den Schlamm länger fließen ließ, was zu breiteren, flacheren Strömen führte.
Die Arbeit legt nahe, dass dieser Prozess – also dass das Sieden den Schlamm aus dem Boden treibt und die fliegenden Brocken sich ansammeln, um einen fließenden Fluss zu bilden – genau die Art und Weise ist, wie jene seltsamen Schlammvulkane auf dem Mars entstanden sein könnten. Es beweist, dass schnelles Sieden und Gefrieren den Schlamm nicht stoppen; sie helfen ihm stattdessen, sich zu bewegen und Strukturen aufzubauen. Die Forscher nutzten Computermodelle, um zu überprüfen, ob der Schlamm während seines Fluges warm genug bleiben würde, und die Mathematik sagt: Ja, die Tropfen bleiben im Inneren lange genug flüssig, um zu landen und zu fließen. Obwohl das Experiment klein war (mit einem Tablett etwa in der Größe eines Kaffeetisches) und der Schlamm eine einfache Mischung war, legen die Ergebnisse stark nahe, dass die Gesetze der Physik es ermöglichen, dass diese Schlammausbrüche auf dem Mars und anderen eisigen Welten stattfinden können. Es stellt sich heraus, dass genau das, was wir dachten, den Ausbruch zu töten (das Sieden), in Wirklichkeit der Motor ist, der ihn am Laufen hält.
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