Effusive sedimentary volcanism experimentally reproduced under Martian-like conditions
Questo studio dimostra, attraverso esperimenti e modellazione, che l'ebollizione rapida in condizioni di bassa pressione simili a quelle marziane sostiene attivamente il vulcanismo sedimentario guidando eruzioni di fango accoppiate tra balistiche ed effusive, piuttosto che sopprimerle come precedentemente ipotizzato.
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Immaginate di essere un detective che cerca di risolvere un mistero su come i pianeti ottengano i loro dossi e le loro ammaccature. Per molto tempo, gli scienziati sono rimasti perplessi davanti a strane colline e fiumi dall'aspetto fangoso su Marte e su lune ghiacciate come Europa. Sembrano essere stati creati da vulcani, ma c'è un problema: l'aria su Marte è così sottile (quasi un vuoto) e così fredda che, se versaste un secchio d'acqua lì, dovrebbe istantaneamente bollire, congelare e trasformarsi in un blocco di ghiaccio solido. È come cercare di fare una palla di neve in una fornace: la fisica suggerisce che il fango liquido non dovrebbe essere in grado di scorrere o costruire montagne perché congelerebbe prima di potersi muovere. Questa è la grande domanda: come potrebbero mai avvenire i "vulcani di fango" in un ambiente così ostile e gelido? Per capire questo, dobbiamo sapere alcune cose. Per prima cosa, "liquido metastabile" è solo un modo elegante per dire un liquido che è tecnicamente instabile e vuole cambiare stato (come l'acqua che vuole bollire o congelare) ma non l'ha ancora fatto del tutto. Secondo, la "vulcanologia sedimentaria" è quando il fango o la poltiglia eruttano dal terreno, costruendo coni o scorrendo come lava, ma fatti di terra bagnata invece che di roccia calda. Infine, la "criovulcanismo" è la versione ghiacciata che avviene su mondi ghiacciati. Il mistero è se questi liquidi possano effettivamente rimanere liquidi e scorrere abbastanza a lungo da costruire le forme di terreno che vediamo, o se si congelino semplicemente in modo immediato.
Entra in scena un team di scienziati che ha deciso di smettere di tirare a indovinare e ha iniziato a costruire un mini-Marte in laboratorio. Volevano vedere cosa succede quando prendi un secchio di poltiglia fangosa e umida e lo esponi improvvisamente all'aria sottile e fredda di Marte. Invece di versare semplicemente del fango in una camera a vuoto (il che lo farebbe congelare troppo velocemente), hanno ideato un trucco astuto. Hanno costruito una "pentola a pressione" fatta di ghiaccio. Hanno preso un vassoio di sabbia, l'hanno congelata e poi hanno versato la loro speciale miscela di fango (acqua, solfato di magnesio e argilla) in un buco. Poi, hanno lasciato che la superficie di quel fango si congelasse, creando un coperchio di ghiaccio duro. Questo coperchio ha intrappolato il fango liquido sottostante, mantenendolo al sicuro e in pressione. Una volta che il coperchio fosse stato abbastanza resistente, hanno riscaldato leggermente il fondo del vassoio. Questo calore ha indebolito il coperchio di ghiaccio dal basso finché non è scoppiato!
Quando quel sigillo di ghiaccio è esploso, il fango intrappolato è stato improvvisamente esposto alla bassa pressione della camera (circa 4,5 mbar, che è come la pressione atmosferica su Marte). Gli scienziati si aspettavano che il fango congelasse istantaneamente e si fermasse. Inve di questo, è successo qualcosa di selvaggio. Il brusco calo di pressione ha fatto sì che l'acqua intrappolata nel fango bollisse violentemente. Questa ebollizione non ha fermato l'eruzione; l'ha alimentata. Il gorgogliare ha creato una pressione che ha sparato il fango fuori dal terreno come un geyser.
L'esperimento ha dimostrato che l'eruzione è avvenuta in due atti distinti, un po' come un concerto rock. Prima, c'è stata una fase "balistica". Il fango bollente è stato sparato fuori in piccole gocce e pezzi, volando attraverso l'aria e atterrando in un anello attorno al buco. Sembrava una fontana di fango. Alcune delle goccioline più piccole sono volate lontano, mentre i pezzi più grandi e pesanti sono atterrati proprio accanto alla bocca del vulcano. Ecco la parte magica: anche se l'esterno di queste goccioline si è congelato istantaneamente in un sottile guscio ghiacciato (come una copertura di cioccolato su un budino caldo), l'interno è rimasto caldo e liquido. Poiché sono atterrate vicino alla bocca del vulcano, si sono accumulate.
Poi è arrivato il secondo atto: la fase "effusiva". Mentre il fango continuava ad accumularsi vicino al buco, ha iniziato a fondersi. I centri caldi e liquidi delle gocce congelate si sono fusi insieme, formando un fiume continuo e scorrevole di fango che si è diffuso sulla sabbia. L'eruzione si è evoluta dallo spruzzare fango nell'aria allo sgocciolarlo lentamente, costruendo un piccolo cono e scorrendo lungo i lati. Gli scienziati hanno scoperto che la dimensione del "serbatoio" sotterraneo contava molto. Un serbatoio più piccolo creava un cono netto e ripido, mentre un serbatoio più grande faceva sì che il fango scorresse per più tempo, creando flussi più ampi e piatti.
L'articolo suggerisce che questo processo — dove l'ebollizione spinge fuori il fango e i pezzi volanti si accumulano per formare un fiume scorrevole — è esattamente come quei strani vulcani di fango su Marte potrebbero essersi formati. Dimostra che la rapida ebollizione e il congelamento non fermano il fango; anzi, aiutano il movimento e la costruzione di strutture. I ricercatori hanno usato modelli informatici per verificare se il fango sarebbe rimasto abbastanza caldo durante il volo, e la matematica dice di sì: le goccioline rimangono liquide all'interno abbastanza a lungo da atterrare e scorrere. Sebbene l'esperimento fosse piccolo (usando un vassoio delle dimensioni di un tavolino da caffè) e il fango fosse una miscela semplice, i risultati suggeriscono fortemente che le leggi della fisica permettano a queste eruzioni fangose di accadere su Marte e su altri mondi ghiacciati. Si scopre che proprio ciò che pensavamo potesse uccidere l'eruzione (l'ebollizione) è in realtà il motore che la mantiene in moto.
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