地下热建模Oxia平面,2022年天外火星着陆点

文摘

数值模拟需要热物理的描述Oxia平面,着陆地点的天外火星2022任务。钻井系统是安装在天外火星探测器,它将能够分析火星2米的地下。光谱仪Ma_MISS(火星地下多光谱成像仪,Coradini Da、片,2001)将调查的侧壁生成的钻孔钻,提供高光谱图像。尚不完全清楚,如果水冰可以找到在地下Oxia平面。然而,Ma_MISS有能力描述和地图的存在可能的冰,尤其是水冰。我们进行了模拟地下温度的不同的热惯性,我们量化自热的影响。此外,我们量化钻井作业所释放的热量,通过探索不同的摩擦系数和角钻速度,为了评估可能的水冰的一生。

1。介绍

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 。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。

2。数值模型

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: 在哪里是温度,时间,密度,比热,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 在哪里是火星的太阳常数(按比例缩小的日心距离) , 反照率,太阳能入射的余弦值,是发射率,是斯蒂芬玻尔兹曼常数。照明条件(例如, )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和0.048 ,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 ,这对应于一个high-porous沉积岩(21]。模型的特点是高导热系数的0.2加元和密度的典型粘土,即。,2700年(23]。在所有的模型中,比热是设定在800 J ,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。

3所示。结果

我们开始第一部分的讨论结果,即。,the influence 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:

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。

3.1。热惯性的影响

在前面板图2情节,我们报告温度与时间在不同深度的表面模型A, B, C(从左到右分别)。沿着线的温度计算z方向垂直于表面经过中心。在模型中,表面温度175 K和265 K之间振荡,在模型B,它在185年和255年之间振荡K,结果非常相似模型的自热导率模型是相同的数量级。反之,在模型C振荡的表面温度降低,因为更高的导热系数,因此更高的热惯性:在这种情况下,表面温度在200 - 245 K范围。

在底部面板图2,我们显示了火星的温度与深度剖面在不同时刻:我们选择的最低温度(p1)在“昼夜温度曲线”,拐点(p2)在最大(p3),和拐点(p4)最大。参见图3。这些情节提供皮肤深度信息,即。,the depth at which the amplitude of the thermal wave is attenuated by a factor 1/e。我们回想一下,周日被定义为皮肤深度 在哪里是旋转。由于温度资料收敛模型A和B大约30厘米,我们可以推断出这个值代表皮肤深度;在模型C,相反,皮肤深度约40厘米。

3.2。密度的影响

在本节中,我们想要证明,固定的热导率和比热),如果我们使用不同的密度值,不改变表面温度在一个重要的方式,如图4(一)。作为一个测试用例,我们采用模型C:我们比较密度的表面温度,以防1900 ,2700年 ,和3000年 。价值1900可以对应,例如,水化蛭石,3000脱水绿高岭石和绿泥石(23]。我们观察与2700之间没有差异和3000年和1900的情况略有不同在达到最大和最小的值:例如,不到5公里的最大值是不同的。我们得出这样的结论:密度影响表面温度只在边缘,与前面所显示的热导率,因为这些参数可以改变以一种非常重大的方式。

3.3。自动加热的影响

为了评估方面的贡献由于自热形状模型的研究中,我们进行了进一步模拟使用模型的测试用例,但没有自动加热。在图4 (b),我们将展示结果,策划只有表面温度:我们观察到峰值的区别是大约10 K。自热是考虑hemicube算法,实现在COMSOL多重物理量代码用于这些模拟。在图5火星表面温度,我们报告3 d地图模型为了指出温度如何能增加表面粗糙度高的地方。地图是指一个行星旋转。

3.4。钻井所释放的热量

这个工作涉及的第二部分的估计在钻井作业释放热量。这贡献是重要的评估的生命周期可能在火星地下的挥发性物种。第二部分的工作中采用的几何图所示6。

考虑到这贡献在一个简单的方法,我们实施了摩擦热通量,“接触”钻(由图的汽缸6),我们的域的集成。这个热通量是由以下方程定义(例如,[33,34): 在哪里摩擦系数,转动速度,的半径是“洞”,即。的厚度顶,的高度是域的集成(50厘米)。摩擦系数的探讨是0.3和0.9。摩擦系数是一种传热效率,从钻到土壤里去的。的价值0.3兼容的(35:我们也测试一个摩擦加热系数接近单位,即。0.9点。我们选择两个值为旋转分钟(以下rpm): 30和60 (29日]。总积分时间是90分钟,时间步长为10。我们模拟一个钻井窗口如图7:我们开始30分钟“模式”,其次是“模式”和30分钟,最后,其他30分钟”模式。“作了一些假设:(我)瞬时钻(钻机开挖不是建模)(2)恒定推力(3)恒定的旋转速度

域的集成(即。,the Martian subsurface), we used the values of model C, i.e.,K= 0.2 , ,和 ;然而,使用的参数模型A和B,结果非常接近。

在表2我们报告的第二部分中采用的热物理参数。

在图8,我们报告1 d温度剖面y方向在x= 0和z= 50厘米(最大深度;参见图6):x设在,我们报告的距离洞。跟踪红色矩形标识钻。在z= 50厘米,我们想要指出,太阳能输入可以忽略不计,所以初始温度,温度,在钻井之前,相当接近平衡温度。,200 K。我们选择了四次(20,43岁,65和90分钟)。我们观察到的情况 和rpm = 30日最大温度的增加由于钻井作业是关于55 K。增加导致大约75 K如果我们使用rpm = 60。如果我们采用摩擦加热系数0.9,温度的增加对rpm = 30和90 K很高,超过100 K, rpm = 60。

3.4.1。一辈子的地下冰

在这一点上,我们可以计算假设地下冰的升华速率从一个圆柱体的基础(即。井眼)。我们应用下面的公式36]: 在哪里表达的是公斤 。 理想气体常数,而是水的分子量。水冰饱和压力被定义为在37]: 有效期为 K。

方程(6)表面:为了考虑地壳厚度的影响 ,我们把通过 ,在[38]。我们设置 毫米为预期的粒度Oxia平面(18]。在图9我们观察到,在“热门”( rpm = 60),升华率是几十公斤 ,而在“冷”( 和rpm = 30),升华率大约是0.2公斤 。

在[39),我们可以计算一个冰存款大规模的一生 。为简单起见,我们使用一种球形初始半径等于钻尖的半径。半径的变化作为时间的函数与升华速率由以下公式: 在 ,我们使用950公斤 。在积分方程(8)和使用泰勒级数 ,我们获得冰块的相对损失时间t存款后提高了温度T:

在哪里是时候用秒表示的。通过使用最大升华速率 ,我们获得的 rpm = 30, 90分钟后剩余的初始质量分数约为60%,在 和rpm = 60,这大约是1%,而在其他两种情况( 和rpm = 30或60),我们有一个完整的初始质量损失。

4所示。讨论和结论

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 ;模型B 255蒂乌的热惯性,兼容K= 0.048 ;和模型(C) 650蒂乌的热惯性,兼容K= 0.2 。模型A和B是而且表现为低密度,即。,1700年 ,兼容组合由high-porous沉积岩;模型C,相反,2700年的特点是密度 ,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(= 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(= 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% 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。

数据可用性

数据包括用于支持本研究https://github.com/MiFormisano/Oxia_Planum。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

所有作者直接导致了研究人员和/或协助分析,写作、编辑、和/在寻找和引用的作品的引用。

确认

这项工作是由意大利航天局(ASI) (2017 - 412 h.0 ASI-INAF n。)。

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