天外火星2022任务的目标是调查一个古老的位置高潜力的过去可居住或化学biosignatures-indicators现存生活以及非生物/生命起源以前的有机物( 1- - - - - - 3]。这个位置已经确定Oxia平面,绵延200公里的浅浮雕地形( 4),的纬度 18 ∘ 。Oxia平面显示的证据水下集被含水粘土的基本单位和分层露头特征( 4- - - - - - 6]。整个地区的Oxia正在侵蚀,经形态学(反向特性)和火山口统计( 4]。这个网站也很重要的复杂环境重建(见,例如, 7])。此外,Oxia不易受到氧化的表面岩石和辐射与其他网站相比,因为他们已经被宇宙轰炸最近才暴露( 3, 4]。

钻井系统机载天外火星探测器能够渗透到2米的地下Oxia平面( 3, 8]。这次演习的主要目的是获取地下天体生物学的潜力高样品的交付为详细调查分析实验室,但在样品提取之前,样品背景分析了Ma_MISS(火星地下的多光谱成像仪)观察生成的钻孔钻的侧壁,高光谱图像的生产( 9, 10]。Ma_MISS将提供信息矿物学、氧化态,和水化状态的样品在样品的提取和破碎之前,因为很深的寒冷样本可能是一个重要方面改变的钻探活动以及提取后。此外,Ma_MISS已经被实验室验证测试( 9, 11),它可以推断信息粒度使用特定的光谱参数的分析。同时,另一个天外火星的乐器,比如特写成像仪(CLUPI) [ 12)可以提供信息的演习将提取的罚款。

埋在地下冰预计不会在Oxia平面着陆地点;然而,最近的结果高分辨率超热中子探测器(弗洛伊德)仪器上微量气体探测器(TGO)指出火星赤道附近的冰川冻土绿洲的存在( 13]。重要的是要理解表面的热状态在Oxia平面和钻探活动的影响。描述和映射有机挥发物含量的地下有一个伟大的科学影响( 14:因此,数值模拟是必需的,例如,表面温度的地图/地下Oxia平面。同时,评估由钻井系统释放的热量的贡献,我们将建立如果假设水冰在地下可以保存或不 15, 16),记住,火星上的大气压力低会导致非常快的任何含冰的升华存款在直接接触钻尖 3]。

估计的热惯性Oxia平面是一个有争议的问题。在[ 17),高分辨率的地图热惯性来源于行星亮度温度的观测火星环球探测器(MGS)热发射光谱仪(te)提出;在那工作,Oxia平面展览300年和400年之间的热惯性热惯性单元,以后蒂乌。琼斯等人。 18]建议约260蒂乌的热惯性,解释表面组成的黑暗的罚款,有粗砂和硬壳但很少尘埃,与晶粒尺寸低于3毫米。然而,在( 4],粘土的单位,热惯性在550 - 650年蒂乌被报道,这可能代表了可能着陆地点;河三角洲,相反,具有较低的热惯性(< 100蒂乌)。最后,在[ 19),土单元的特征是370 - 380的热惯性蒂乌而值300蒂乌河三角洲。

在这个工作中,从热物理的角度,我们着陆地点特征Oxia平面。特别是,我们首先调查地下不同的热惯性的热响应值,考虑到上述因素,我们评估后所释放的热量钻井操作。我们也估计的生命周期假设的冰冷的地下矿床。本文结构如下:在部分 2,我们报告这个工作中采用的数值模型,在部分 3,数值模拟的结果,最后,在部分 4讨论和结论。

我们进行模拟使用3 d有限元代码(例如, 24- - - - - - 28]),解决了经典热方程在一个平行六面体(见图 1)兼容的尺寸钻孔,钻孔产生的系统,安装在天外火星探测器,Oxia平面。

顶部( x- - - - - - y飞机)这一领域建模与高斯随机表面以模拟表面的粗糙度。域的尺寸是1厘米×1厘米×50厘米。50厘米的深度一直以来选择周日皮肤深度是几十厘米的顺序合理,也符合钻天外火星上的杆的长度( 29日]。

解下列方程: (1) ρ c p ∂ T ∂ t = K ∇ ⟶ ⋅ ∇ ⟶ T , 在哪里 T 是温度, t 时间, ρ 密度, c p 比热, K 热导率。以来,传导传热只发生对流可以忽略由于涉及的小型温度梯度以及特征样本的大小。顶部,我们实施了辐射边界条件,另一方面,零热通量是强加的。

特别是在顶部,后,例如, 30., 31日),我们为每个方面解决 (2) 年代 c 1 − 一个 因为 Z + 问 年代 H = − K n ⟶ ⋅ ∇ ⟶ T + ε σ T 4 , 在哪里 年代 c 是火星的太阳常数(按比例缩小的日心距离) Wm − 2 , 一个 反照率, 因为 Z 太阳能入射的余弦值, ε 是发射率, σ 是斯蒂芬玻尔兹曼常数。照明条件(例如, 因为 Z 根据()计算 24, 26, 28]。在[ 26),我们考虑一个漫射表面,吸收太阳能辐射和红外辐射的灰色身体发射率为0.97,一种方法类似于( 32]。这个词 问 上海 这个词相关的所谓“自热”。

初始温度设定在200 K,这是兼容表面平衡温度。

我们开发了三个不同的模型,不同的热惯性:模型,其特点是 我= 160蒂乌;B模型的特征 我= 255蒂乌;和模型C的特征 我= 650蒂乌。模型A和B是导热系数为0.018 Wm − 1 K − 1 和0.048 Wm − 1 K − 1 ,分别。这些值兼容那些提供的洞察力任务( 22];密度,在这些情况下,较低并设置为1700 kgm − 3 ,对应于一个high-porous沉积岩( 21]。模型的特点是高导热系数的0.2加元 Wm − 1 K − 1 和密度的典型粘土,即。,2700年 kgm − 3 ( 23]。在所有的模型中,比热是设定在800 J 公斤 − 1 K − 1 ,这是一个价值与许多材料(即兼容。风化层,细砂、粗砂,例如,( 20.])。反照率为0.13 ( 18]。

日心距离探索着陆以来的远日点目前正在计划于6月10日,2023年,火星非常接近其远日点。

所有的热物理的参数用于这项工作表中列出 1。

我们开始第一部分的讨论结果,即。,theinfluence of the thermal inertia on the subsurface temperatures of Oxia Planum, evaluating also the effects of self-heating. We recall that the thermal inertia is defined as follows: (3) 我 = K ρ c p 。

第二部分,有关释放热量的估算的地下Oxia平面的钻井作业。我们最终提供一个估计的生命周期假设含冰球体接触的演习。

在这项工作中,我们探讨了地下温度的热惯性的依赖Oxia平面,着陆地点的天外火星2022任务,我们也评估了钻井作业所释放的热量。特别是,在第一部分,我们研究了地下温度的热惯性的影响通过测试三个模型:模型,以160年蒂乌的热惯性,兼容 K= 0.018 Wm − 1 K − 1 ;模型B 255蒂乌的热惯性,兼容 K= 0.048 Wm − 1 K − 1 ;和模型(C) 650蒂乌的热惯性,兼容 K= 0.2 Wm − 1 K − 1 。模型A和B是而且表现为低密度,即。,1700年 kgm − 3 ,兼容作文high-porous沉积岩;模型C,相反,2700年的特点是密度 kgm − 3 、兼容粘土主要成分(例如,蛭石)。日心距离考虑在这些模拟着陆以来的远日点目前计划,而火星非常接近远日点。

在模型中,表面温度范围从175 K到265 K,而在模型B,范围从175 K到255 K。的行为是非常相似的自热导率模型是相同的数量级。在这些情况下,皮肤深度接近30厘米。模型C的情况是不同的:在这里,事实上,振荡之间的表面温度是有限的200 K和245 K,因为这种情况下(即高的热惯性的。650蒂乌),和皮肤深度接近40厘米。我们也验证了自热的影响方面的表面形状模型的建模域作为一个高斯随机表面。自动加热的情况之间的区别,没有自动加热大约是10 K:我们使用模型作为测试用例。

论文的第二部分是用于测试的影响钻井活动地下热环境。我们使用不同的参数来模拟钻井特点以及地下条件,包括冰补丁的存在。

钻井作业所释放的热量在不同情况下的摩擦:模拟的低摩擦系数( η = 0.3),最高温度增加50厘米的深度约为55 K (rpm = 30)和大约75 K (rpm = 60)后90分钟。在高摩擦加热( η = 0.9),最高温度增加成为90 K (rpm = 30)和130 K (rpm = 60)。我们也评估的行为假设的区域与地下的水冰:我们计算一个假设的球形的升华率和生命周期含冰,13毫米的半径(钻尖的半径),使用温度配置文件获得的模拟钻井活动。90分钟后,剩余的冰的质量约60% η = 03 模拟和rpm = 30,而在其他情况下,剩下的质量可以忽略不计。然而,一个更完整的治疗可能在火星地下的挥发物的扩散将在未来。

这里的模拟报告表明,火星地下的热环境可以的钻探活动的强烈影响,随之变化的特色的地下区域和层附近的井眼和接触钻尖棒。这些热变化,诱导钻井所释放的热量,有助于地下层原始挥发物含量的变化,包括可能损失的水冰,如果最初的礼物。

我们得到的数值模拟结果提供第一次描述的热状态,开采后,地下的Oxia平面,因为一些假设是在这项工作,特别是,我们考虑了钻井作为瞬时过程没有治疗开挖。此外,我们应用定义的通量方程( 5)以一种平等的方式所有代表联系的墙壁边钻。然而,为了增加生存的可能性Oxia任何挥发物在地下,我们会减少摩擦加热或采用合适的窗口钻井。未来的改进将与实验室实验以及验证。