Ακόρεστα εδάφη στον Άρη και ο ρόλος τους στον αποικισμό του Άρη από γεωτεχνική άποψη

Σημαντικά τρέχοντα έργα που βρίσκονται σε εξέλιξη για να έχουμε ανθρώπους στον Άρη για εξερεύνηση και επίσης για πιθανή εγκατάσταση και αποικισμό είναι το έργο Mars One και το έργο της NASA. Υπάρχουν ακόμη αρκετές εργασίες γεωτεχνικής μηχανικής που πρέπει να εξεταστούν για την υλοποίηση των προγραμματισμένων προσεχών ανθρώπινων αποστολών στον Άρη.

Οι γεωτεχνικές δυσκολίες που συνδέονται με τα εδάφη στη Γη που βρίσκονται πάνω από τον υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα (δηλαδή τη ζώνη βαδίσματος) με αρνητικό εύρος πίεσης πόρων-νερού (δηλαδή αναρρόφηση) καθορίζονται φυσικά από τη μηχανική των ακόρεστων εδαφών.

Το μεγαλύτερο μέρος του εδάφους στο εξωτερικό του Άρη είναι φτιαγμένο από λεπτό μέγεθος σωματιδίων (εύρος <0,002 mm-0,075 mm που συνήθως έχουν άργιλο και ιλύ). Αυτά τα μεγέθη εδάφους προδιατίθενται σημαντικά από την επίδραση της χαμηλής βαρύτητας (το ένα τρίτο της βαρύτητας της Γης) στη μάζα του εδάφους του Άρη. Η μικροβαρύτητα μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα στον μηχανισμό μεταφοράς υγρού νερού, αερίων και θερμότητας μέσα στο έδαφος στον Άρη. Η αναρρόφηση του εδάφους είναι ένα κρίσιμο ζήτημα που επηρεάζει την αντοχή των πλαγιών του ακόρεστου εδάφους.

Τα μηχανικά χαρακτηριστικά όπως η διατμητική αντοχή, η ακαμψία και η φέρουσα ικανότητα είναι συγκριτικά υψηλά και προτείνουν αντοχή σε παραμόρφωση σε ακόρεστα εδάφη λόγω της συμβολής της αναρρόφησης. Ωστόσο, ορισμένα ακόρεστα εδάφη καταρρέουν (δηλαδή πτυσσόμενα εδάφη) ή διογκώνονται (δηλαδή εκτατικά εδάφη) λόγω κορεσμού λόγω εξαφάνισης της αναρρόφησης. Το δυναμικό αναρρόφησης του εδάφους αυξάνεται σημαντικά κατά τη διάρκεια πτώσης της θερμοκρασίας χαμηλότερη από το σημείο πήξης του νερού.

Η μηχανική των ακόρεστων εδαφών, ένα αναπτυσσόμενο πεδίο μελέτης, έχει δώσει εξηγήσεις για την αντιμετώπιση πολλών γεωτεχνικών προβλημάτων. Η υπάρχουσα κατανόηση των ακόρεστων εδαφών φαίνεται σημαντικό εργαλείο στον Άρη για την απλούστευση της επερχόμενης ανθρώπινης εξερεύνησης και αποικισμού.

Συνθήκες εδάφους του Άρη

Γεγονότα για την ατμόσφαιρα, τις επιφανειακές και υπόγειες συνθήκες του Άρη μπορούν να βρεθούν σε άλλες πηγές. Το έδαφος του Άρη περιέχει γενικά μεγάλη συγκέντρωση συστατικών Fe, S και Cl. Το κόκκινο χρώμα του αποδίδεται στα οξείδια του σιδήρου που δημιουργούνται από τις καιρικές συνθήκες των πετρωμάτων σε υγρές και υγρές περιόδους του Άρη. Ορισμένα φυσικά και μηχανικά χαρακτηριστικά των εδαφών του Άρη συντομεύονται στον Πίνακα 1.

Duricrust:ένα τσιμεντοειδές και πτυσσόμενο έδαφος, δηλαδή, ακόρεστο έδαφος στον Άρη

Τα τσιμεντωμένα και πτυσσόμενα εδάφη, τα οποία αναγνωρίζονται ως σκληρόχρωμα ή ψεύτικα βότσαλα, εμφανίζονται στο 25% της επιφάνειας του Άρη (Εικόνα 1). Η δομή τους περιέχει σωματίδια τσιμεντοποιημένα από συνδετικά υλικά, το οποίο έχει συμπεράνει από παράγοντες albedo και θερμικής αδράνειας. Αυτά τα εδάφη εντοπίστηκαν στις θέσεις προσγείωσης Viking και Pathfinder. Δεν γνωρίζουμε πάρα πολλά για το βάθος αυτού του στρώματος εδάφους από όλα τα μέρη του Άρη, και αυτό ισχύει και για τη Γη. Η παρουσία ακόρεστων εδαφών στον Άρη συναρμολογημένα σε μορφή ψευδούς βότσαλου είναι ορατή στο Σχήμα 1α. Η διαταραχή της διαμόρφωσης των ακόρεστων τσιμεντοειδών εδαφών (duricrust) από το ρόβερ Mars παρατηρείται στο Σχήμα 1β. Η παρουσία ακόρεστων εδαφών στην επιφάνεια του Άρη μπορεί επίσης να συναχθεί από το σχήμα 1γ-δ.

Η εμφάνιση μιας περιφέρειας ή ακόρεστης περιοχής στο υπέδαφος του Άρη μπορεί να συναχθεί από ιζηματογενή συγκροτήματα όπως ανεμιστήρες, δέλτα και στρώματα με εγκάρσια κλίνη. Η αναρρόφηση και η πτώση της επιφανειακής καταπόνησης κατά την επαφή με τα σωματίδια του εδάφους ενεργοποιεί μια καθίζηση ορυκτών. Μια εναπόθεση νέων κρυστάλλων λαμβάνει χώρα με παροδικό τρόπο στο ακόρεστο στάδιο μεταξύ των σωματιδίων του εδάφους από το νερό πόρων με υψηλή συγκέντρωση χημικών ουσιών.

Ο κρίσιμος γεωτεχνικός κίνδυνος που σχετίζεται με τα ακόρεστα εδάφη μπορεί να προκύψει από τη φύση της κατάρρευσης του σκληρού φλοιού στον Άρη. Η επιφάνεια του Άρη είναι κηλιδωμένη με ψεύτικα βότσαλα, τα οποία είναι ήπια τσιμεντωμένα, λεπτόκοκκα εδάφη σε μια σειρά μεγεθών λάσπης. Συνθλίβονταν όταν τους μάζευε ο δειγματολήπτης των Βίκινγκ. Το πτυσσόμενο έδαφος σε ξηρή κατάσταση έχει σημαντική ακαμψία αλλά διασπάται γρήγορα όταν εμποτιστεί με νερό. Η ελαφριά τσιμεντοποίηση από άλατα ή κελύφη αργίλου μαλακώνει με τη διείσδυση του νερού και το έδαφος καταρρέει σε μια πιο πυκνή διάταξη.

Κάποιες μηχανικές δυσκολίες αναμένονται εάν χτιστούν θεμέλια στα ακόρεστα πτυσσόμενα εδάφη. Αυτά τα εδάφη μπορεί απροσδόκητα να σπάσουν λόγω υπερφόρτωσης, ημιτονοειδούς δυναμικού φορτίου ή υγρασίας που προκαλείται από λιωμένο πάγο. Ορισμένες λύσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόληψη των κινδύνων που συνδέονται με τα πτυσσόμενα ακόρεστα εδάφη στον επερχόμενο ανθρώπινο αποικισμό. Κυρίως, αυτή η ποικιλία εδάφους μπορεί να εκτοπιστεί από τοποθεσίες όπου το πάχος τους είναι χαμηλό. Στη συνέχεια, το έδαφος μπορεί να συμπιεστεί σε μεγαλύτερη συμπαγή και πυκνότητα για να επιτευχθούν ικανοποιητικές ρυθμίσεις.

Αυτά τα ψηφίσματα προτείνονται λαμβάνοντας υπόψη τις ακόλουθες προσδοκίες:δύο μορφές κατασκευών που αποτελούνται είτε από επιφανειακά είτε από υπόγεια καταφύγια μπορούν να κατασκευαστούν στον Άρη για να προστατεύσουν τους ανθρώπους από αντίξοες καιρικές συνθήκες ή σοβαρή επίδραση ηλιακής και γαλαξιακής ακτινοβολίας. Για κάθε οικοδόμημα που κατασκευάζεται στο έδαφος του Άρη ή στην υπόγεια επιφάνεια μέσα σε παχιές αποθέσεις, τα γεωτεχνικά χαρακτηριστικά του εδάφους θα πρέπει να πληρούν τις πιο χαμηλές ανάγκες, λαμβάνοντας υπόψη τη σταθερότητα και την παραμόρφωση (δηλαδή κατάρρευση).

Ακόρεστη φάση που φαίνεται από αποξηραμένα πολύγωνα

Άφθονες γεωμετρικές ρωγμές (Εικόνα 2 και 3) μπορούν να ανιχνευθούν στο εξωτερικό του Άρη από εικόνες που αποστέλλονται από προσγειωμένα σκάφη και διαστημικά σκάφη σε τροχιά. Αυτά τα πολύγωνα στον Άρη παρουσιάζουν ανόμοια μεγέθη που εκτείνονται από 2 έως 3 m έως 10 km σε διάμετρο. Η θερμική συρρίκνωση, η αφυδάτωση ή οι ηφαιστειακές εξελίξεις είναι οι βασικοί λόγοι για τη δημιουργία πολυγώνων μικρού μεγέθους (2 έως 20 m) και ενδιάμεσου μεγέθους (20-300 m), και τα τεκτονικά γεγονότα είναι υπεύθυνα για τα μεγαλύτερα πολύγωνα μεγέθους χιλιομέτρου. .

Η θεωρία της αποξήρανσης υποδηλώνει ότι οι ενδογενείς λίμνες ή τα πλημμυρισμένα ιζήματα που διαμορφώθηκαν στους κρατήρες πρόσκρουσης, δημιούργησαν πολύγωνο σχηματίζοντας εδαφικό συγκρότημα. Προτάθηκε ότι αυτές οι λίμνες πιθανώς να συγκρατούν νερό, εμποτισμένο από τις υδροθερμικές εξελίξεις ή από την επίδραση της προκληθείσας διαρροής υπόγειων υδάτων αμέσως μετά την εμφάνιση της πρόσκρουσης του μετεωρίτη. Η αποξήρανση είναι ένα στάδιο αερισμού σε συνδυασμό με την αφυδάτωση του νερού από την επιφάνεια ή ως αποτέλεσμα των εξελίξεων διάχυσης που συμβαίνουν σε ένα έδαφος που αρχικά ήταν σε βρεγμένη κατάσταση.

Αυτές οι παρατηρήσιμες εξελίξεις προτείνουν την κίνηση του υγρού νερού που προκαλείται από τη διακύμανση του υδατικού δυναμικού. Μια τέτοια εξέλιξη μπορεί να αποδοθεί στην κίνηση των ατμών λόγω μιας διαφοράς στην πίεση υδρατμών. Εάν το έδαφος απορριφθεί από τη συρρίκνωση ως αποτέλεσμα της απώλειας πτητικών, η τάση αυξάνεται και εκτείνεται σε μια τιμή που είναι μεγαλύτερη από την αντοχή του εδάφους. Κατά συνέπεια, σχηματίζονται ρωγμές για την ανακούφιση της πρόσθετης πίεσης. Ανάλογη είναι η εμφάνιση που συνοδεύει τις ρωγμές αποξήρανσης σε αργιλώδη εδάφη στη Γη, σύμφωνα με τις μελέτες διαφορετικών ερευνητών.

Οι κατολισθήσεις του Άρη και η επίδραση των ακόρεστων εδαφών

Οι κινήσεις των συντριμμιών και τα χαρακτηριστικά της ρεματιάς μπορούν να γίνουν αντιληπτά συχνά στην επιφάνεια του Άρη. Η κοπή της διεπαφής με πρόσθετες επιφανειακές δομές στον Άρη και η επεξεργασία από τους θίνες νεαρής ηλικίας δείχνει ότι αυτές οι ρεματιές είναι σχετικά νεαρές δομές. Επιπλέον, οι ρεματιές έχουν έντονη όψη σε σύγκριση με τις παλαιότερες τοπογραφίες που προκαταλήφθηκαν από κατολισθήσεις ή αιολικές εξελίξεις. Η παρουσία ρεμάτων εμφανίζεται δίπλα σε ορισμένα γεωγραφικά πλάτη με επιπλέον έκθεση στον Ήλιο.

Διεξήχθη έρευνα για μια σειρά επαφής με την ηλιακή ενέργεια στις αρειανές πλαγιές στο βόρειο ημισφαίριο, που αποτελούνταν από ρεματιές και χωρίς ρεματιές. Έγινε αντιληπτό ότι οι λόφοι με ρεματιές έχουν μια εύλογα σταθερή ποσότητα επαφής με τον Ήλιο καθ' όλη τη διάρκεια του έτους. Αυτή η έκθεση ήταν αποτέλεσμα των γεωμετριών της κλίσης τους και κυρίως λόγω των γεωγραφικών πλάτη και των όψεών τους (όψη ρουλεμάν). Η δημιουργία ρεματιών δείχνει ότι υπάρχουν ακόρεστα εδάφη σε αυτές τις συνοικίες που ανέχονται τα περιστατικά βροχόπτωσης. Η διαβροχή των ακόρεστων εδαφών μπορεί να αποδοθεί στο λιώσιμο του πάγου και στην τριχοειδή κίνηση του νερού. Το νερό εμποτίζει τα επιφανειακά εδάφη, μειώνει την αναρρόφηση και μειώνει τη διατμητική αντοχή, με αποτέλεσμα την κατηφορική κίνησή τους (δηλαδή κατάρρευση).

Στη συνέχεια, δημιουργούνται ροές συντριμμιών, ρεματιές και τοπία σε σχήμα βεντάλιας στην επιφάνεια του Άρη (Εικόνα 4-Αριστερά). Οι κατολισθήσεις μπορεί να έχουν διαφορετικούς μηχανισμούς ενεργοποίησης και η επιχειρηματολογία σχετικά με αυτό το θέμα δεν παρουσιάζεται εδώ λόγω των περιορισμών χώρου της εφημερίδας. Οι κατολισθήσεις σε μικρή ή τεράστια κλίμακα (Εικόνα 4) στον προηγούμενο ή τον τρέχοντα χρόνο του Άρη μπορεί να οφείλονται σε μονοπάτι διαβροχής ή να αποδοθούν σε φάση υγρασίας στα ακόρεστα εδάφη, εκτός από την επίδραση της βαρύτητας και των δυναμικών φορτίων. Τα δονούμενα φορτία μπορούν να ξεκινήσουν από σεισμικές ιδιότητες που προκαλούνται από κρούσεις μετεωριτών (Εικόνα 4-Δεξιά) ή Marsquakes. Η εμφάνιση πτυσσόμενων εδαφών σε ακόρεστη φάση με πιθανότητα μεγάλης απώλειας αντοχής ως αποτέλεσμα δυναμικής φόρτισης είναι ένας βασικός λόγος για την κατολίσθηση στον Άρη. Επίσης, η ροή των συντριμμιών που προκαλείται από την υγρασία ή τον κορεσμό των ακόρεστων εδαφών είναι ο κύριος μηχανισμός κατολίσθησης που επικρατεί στο εξωτερικό του Άρη.

Μια μελέτη έδειξε ότι η κίνηση του υγρού στην επιφανειακή επιφάνεια, η κλίση της κλίσης και η σταθερότητα του μανδύα του ρεγολίθου στους λόφους, μπορούν να ελέγξουν τις ροές συντριμμιών στον Άρη. Με βάση την προηγούμενη μελέτη και το τρέχον αποτέλεσμα από το SHARAD (Shallow Radar Mars Reconnaissance Orbiter), μπορεί να συναχθεί ότι ένα υγρό υλικό θα υγράνει το έδαφος σε ακόρεστα εδάφη του Άρη. Αυτό το υγρό είναι δυνητικά υπόγεια ύδατα που προέρχονται τόσο από τον πάγο του νερού στο υπέδαφος του Άρη, την απόψυξη μαζικά διασκορπισμένου επιφανειακού πάγου κάτω από την επιφάνεια ή από την υποεπιφανειακή υδροθερμική κίνηση.

Στο εξής, μέρη ανθρώπινης εγκατάστασης στον Άρη κοντά σε ανυψωμένες ζώνες, ανενεργά ηφαίστεια ή πλαγιές θα πρέπει να αποφεύγονται. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η επίδραση της βαρύτητας, τα δυναμικά φορτία και η υγρασία των ακόρεστων εδαφών μέσω του τήγματος πάγου μπορεί να προκαλέσουν κατολισθήσεις, που περιέχουν ταχέως κινούμενες ροές συντριμμιών. Το νερό εμφανίζεται σε συνδυασμό με πάγο, ή απλώς σε μορφή πάγου, κάτω από την επιφάνεια του Άρη. Η επαφή με την ηλιακή ενέργεια, η υπόγεια υδροθερμική κίνηση και η διασπορά των υδρατμών προς τα έξω ή τα κύματα μετεωριτών μπορούν να παράσχουν πηγές θερμότητας για την τήξη των πάγων. Αυτή η θερμότητα μπορεί να ξεπαγώσει τον πάγο κάτω από την επιφάνεια και να παράγει υγρό νερό. Το νερό μπορεί να διεισδύσει στο εσωτερικό του εδάφους ή να κλιμακωθεί με τριχοειδή κίνηση, ρίχνοντας την αναρρόφηση ακόρεστων εδαφών, προκαλώντας μείωση της αντοχής στη διάτμηση και κλιμάκωση της παραμόρφωσης (δηλαδή κατάρρευση), κατά συνέπεια.

Ακόρεστη κατάσταση βρέθηκε στα κατεψυγμένα εδάφη του Άρη

Παγωμένα εδάφη υπάρχουν σε μια τεράστια επιφάνεια του Άρη. Η θερμοκρασία στον Άρη μπορεί να διαφέρει από -153 έως +20 βαθμούς Κελσίου σε διάφορα μέρη και περιόδους του έτους. Η ζεστασιά από το φως της ημέρας, οι ανατρεπτικές υδροθερμικές κλίσεις και η κρούση μετεωριτών μπορούν να αλλάξουν τις οικολογικές συνθήκες και να διαλύσουν τα παγωμένα εδάφη. Οι μηχανικές ιδιότητες του εδάφους — συγκεκριμένα, η ακαμψία και η διατμητική αντοχή — είναι σημαντικοί παράγοντες απαραίτητοι για το σχεδιασμό των θεμελίων.

Τα κατεψυγμένα εδάφη εμφανίζουν μεγαλύτερο συντελεστή πρωτογενούς εφαπτομένης (δηλαδή ακαμψία) ως συνέπεια της αντίστασης που δημιουργείται στο εσωτερικό του εδάφους από τον πάγο που αυξάνεται με την αύξηση της πίεσης περιορισμού. Στις λάσπες, που είναι γενικά λεπτόκοκκα εδάφη χωρίς συνοχή, η αναρρόφηση του εδάφους αυξάνει τη φαινομενική συνοχή και διαδοχικά κλιμακώνει τη διατμητική αντοχή. Βαθιά, η αναρρόφηση του εδάφους αυξάνεται στα παγωμένα εδάφη και μπορεί να συναχθεί ότι ο λόγος υγρασίας επηρεάζει τη διατμητική αντοχή του εδάφους με τη συμμετοχή της αναρρόφησης. Δυσκολίες συμβαίνουν όταν ο βαθμός κορεσμού του εδάφους αυξάνεται ως αποτέλεσμα της διάλυσης του πάγου. Εξαιτίας αυτού, παρατηρείται μείωση της αναρρόφησης του εδάφους, της διατμητικής αντοχής, της ακαμψίας και της φέρουσας ικανότητας του λιωμένου εδάφους. Η έκθεση στο ηλιακό φως ή στα υδροθερμικά συστήματα μπορεί να παρέχει την πηγή θερμότητας.

Σύσταση για περαιτέρω έρευνα

Προτείνεται συμπληρωματική έρευνα για τις αλληλεπιδράσεις νερού, νερού-πάγου, ξηρού πάγου και εδάφους επιτρέποντας την επίδραση της αναρρόφησης του εδάφους στα υδραυλικά και μηχανολογικά χαρακτηριστικά των ακόρεστων εδαφών. Πρόσθετες συστάσεις περιλαμβάνουν δοκιμές σε διαστημικούς σταθμούς με σεβασμό στην επίδραση της μικροβαρύτητας με τη βοήθεια ανόμοιων τύπων εδαφών προσομοιωτών του Άρη ανάμεικτα με νερό ή ξηρό πάγο. Αυτά τα πειράματα θα μας επιτρέψουν να αυξήσουμε τις γνώσεις μας σχετικά με τον αντίκτυπο της αναρρόφησης του εδάφους στις μηχανικές ιδιότητες που μπορούν να είναι κατάλληλες για σχέδια πολιτικών και μηχανολογικών υποδομών στον Άρη. Τέλος, η μελέτη και οι αναλύσεις στα ακόρεστα εδάφη του Άρη θα πρέπει να επεκταθούν για την καλύτερη κατανόηση των προβλημάτων και την πρόταση αποτελεσματικών λύσεων. Αυτή η έρευνα μπορεί να ενισχύσει τον επιτυχημένο ανθρώπινο αποικισμό του Άρη στο εγγύς μέλλον.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Unsaturated grounds on Mars and their επίπτωση στις ανθρώπινες αποστολές και την εγκατάσταση στον Άρη, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Electronic Journal of Geotechnical Engineering . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Morteza Sheshpari και Sai K. Vanapalli από το Πανεπιστήμιο της Οτάβα.