Πώς επηρεάζουν οι επιπτώσεις των μεγάλων μετεωριτών τη μεταφορά του πλανητικού μανδύα

Κάθε τόσο, σώματα μεγέθους αυτοκινήτου ή σπιτιού που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα της Γης από το διάστημα συναντούν ένα πύρινο τέλος σε μια τελευταία φλόγα και μας υπενθυμίζουν ότι ο διαπλανητικός χώρος δεν είναι τόσο άδειος όσο φαίνεται. Ακόμη μεγαλύτερα (και ευτυχώς λιγότερο πολυάριθμα) αντικείμενα είναι γνωστό ότι έφτασαν στην επιφάνεια της Γης, δημιουργώντας περισσότερο ή λιγότερο μεγάλους κρατήρες και καταδικάζοντας τα τοπικά ή ακόμα και παγκόσμια οικοσυστήματα.

Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι ένα τέτοιο γεγονός, το οποίο δημιούργησε τον κρατήρα Chicxulub με διάμετρο ~ 160 km στην ακτή του Μεξικανικού Κόλπου, βοήθησε τουλάχιστον στην εξάλειψη των δεινοσαύρων. Ωστόσο, ακόμη και αυτός ο κατακλυσμός, που προκλήθηκε από ένα βλήμα σε διάμετρο πολλών χιλιομέτρων, ήταν μια μικρή ενόχληση σε σύγκριση με το χτύπημα της Γης μας και των άλλων επίγειων πλανητών της στα νιάτα τους περίπου 4 έως 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Όχι μόνο οι κρούσεις ήταν γενικά πολύ πιο συχνές εκείνη την εποχή, αλλά ορισμένες από τις συγκρούσεις αφορούσαν μετεωρίτες με διαμέτρους από πολλές δεκάδες έως εκατοντάδες χιλιόμετρα ή και περισσότερο. Οι τσακισμένες επιφάνειες κάποιων άλλων πλανητικών σωμάτων όπως η Σελήνη εξακολουθούν να μαρτυρούν αυτό το βάναυσο παρελθόν, αλλά μόνο κατά τη διάρκεια του προηγούμενου αιώνα αυτό αναγνωρίστηκε πλήρως και ότι οι μετεωρίτες και ένας συγκεκριμένος τύπος κρατήρων έχουν συσχετιστεί μεταξύ τους γεωλογικά.

Κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα, και ειδικά μετά τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο, οι εξελίξεις στη φυσική των φαινομένων κρούσης και πρόσκρουσης μας παρείχαν, μεταξύ άλλων, ένα κομψό θεωρητικό πλαίσιο που συσχετίζει τις ιδιότητες και την ενέργεια του κρουστικού εκκρεμούς με τις διαστάσεις του κρατήρα μέσω σχετικά απλής κλίμακας του νόμου. Οι γνώσεις που προέκυψαν από αυτά καθιστούν σαφές ότι κρούσεις σε κλίμακα που περιλαμβάνουν βλήματα διαμέτρου εκατοντάδων χιλιομέτρων και καταλήγουν σε κρατήρες μεγέθους πολλών εκατοντάδων ή ακόμη και άνω των χιλίων χιλιομέτρων πρέπει να έχουν διατρυπήσει το άκαμπτο εξωτερικό κέλυφος του πλανήτη που ονομάζεται λιθόσφαιρα και περιλαμβάνει τον φλοιό και τον ανώτερο μανδύα. Κινούμενοι όπως κάνουν με ταχύτητες πολλών χιλιομέτρων ή ακόμη και δεκάδων χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο όταν χτυπούν τον στόχο τους, οι μετεωρίτες πυροδοτούν ένα ωστικό κύμα σε αυτόν που πιέζει το υλικό πολύ πέρα ​​από το ελαστικό του όριο καθώς το διασχίζει με υπερηχητική ταχύτητα. Μεγάλο μέρος της τεράστιας ποσότητας ενέργειας που σχετίζεται με μεγάλες κρούσεις που δεν μετατρέπεται στην παραμόρφωση του στόχου και του βλήματος και η εκτόξευση εκτοξευτήρων μετατρέπεται σε θερμότητα, ένα μέρος της οποίας είναι θαμμένο βαθιά στο εσωτερικό σε αυτά τα μεγάλα γεγονότα ως ο παροδικός κρατήρας η κοιλότητα κλείνει ξανά. Αυτό θέτει το υπόβαθρο για την ανάπτυξη των γεωδυναμικών επιπτώσεων των μεγάλων κρούσεων.

Συγαγωγή μανδύα στη Γη και σε άλλους πλανήτες

Από το τελευταίο τρίτο του προηγούμενου αιώνα, η ύπαρξη συναγωγικής κίνησης στον μανδύα της Γης έχει αποδειχθεί σταθερά και οι διαφορές πυκνότητας λόγω των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας έχουν αναγνωριστεί ως κινητήρια δύναμη για την άνωση από την αρχή. Αν και η θερμική μεταφορά του μανδύα στη Γη και στους άλλους επίγειους πλανήτες έχει ήδη μοντελοποιηθεί αριθμητικά για δεκαετίες, η αλληλεπίδρασή της με τις επιπτώσεις που σχηματίζουν λεκάνες κατά την πρώιμη εξέλιξή τους έχει εξεταστεί εκτενέστερα μόνο την τελευταία δεκαετία περίπου.

Ένας αγαπημένος στόχος των αριθμητικών μοντελιστών ήταν ο πλανήτης Άρης, ο οποίος έχει το πλεονέκτημα ότι είναι αρκετά καλά εξερευνημένος και έχει μια παλιά επιφάνεια με αρχαίους κρατήρες αλλά και με υπολείμματα πιο πρόσφατης γεωλογικής δραστηριότητας, συμπεριλαμβανομένου του ηφαιστειακού. Από ορισμένες πρωτοποριακές μελέτες από τις αρχές της χιλιετίας [1], έχει διαπιστωθεί ότι κρούσεις μεγέθους που παράγουν μεγάλες λεκάνες διαμέτρου χιλιάδων χιλιομέτρων συνοδεύονται από τεράστιες θερμικές ανωμαλίες και εκτεταμένη τήξη στο μανδύα. Αυτές οι θερμές ζώνες ανεβαίνουν γρήγορα και εξαπλώνονται κάτω από τη λιθόσφαιρα, διαταράσσοντας τα προϋπάρχοντα μοτίβα μεταφοράς και συλλαμβάνοντας λοφία από τις γύρω περιοχές στο πεδίο ροής τους [2]. Οι πολύ μεγάλες κρούσεις είναι σε θέση να αναδιοργανώσουν το πεδίο ροής με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί να εμφανιστεί ένα σταθερό νέφος κάτω από το σημείο πρόσκρουσης, και μια διαδοχή τέτοιων γεγονότων θα είχε ακόμη και ως αποτέλεσμα μια μακροπρόθεσμη αλλαγή της παγκόσμιας παραγωγής θερμότητας του πλανήτη. 3].

Τελικά, ωστόσο, τα θερμικά φαινόμενα αποσυντίθενται καθώς η ροή του μανδύα διασκορπίζει την ανωμαλία και η θερμότητα διαχέεται μακριά. Πρόσφατα μοντέλα [4] που επέκτειναν τέτοια μοντέλα μεταφοράς με υπολογισμό της παραγωγής τήγματος και συνακόλουθων αλλαγών σύνθεσης του μανδύα βρήκαν ότι η μαζική παραγωγή και εξαγωγή τήγματος παράγει μια χημική ανωμαλία μαζί με τη θερμική που έχει σημαντική άνωση λόγω των διαφορετικών του σύνθεση. Αυτή η συνεισφορά της σύνθεσης στη συνολική άνωση μπορεί να είναι αρκετά ισχυρή ώστε να αγκυρώσει την ανωμαλία που δημιουργείται από την κρούση στη βάση της λιθόσφαιρας, όπου απλώνεται αλλά μπορεί να μην εξαλειφθεί εντελώς από τη μεταγενέστερη ροή του μανδύα. Με αυτόν τον μηχανισμό, οι χημικές ετερογένειες που σχηματίστηκαν στον πρώιμο μανδύα του Άρη μπορεί να έχουν επιβιώσει μέχρι σήμερα, γεγονός που μπορεί να εξηγεί ορισμένες από τις χημικές μεταβλητές που συνάγονται από την ανάλυση μετεωριτών που είναι γνωστό ότι προέρχονται από τον Άρη.

Ενώ οι περισσότερες από τις μελέτες σε αυτό το πεδίο αντιπροσωπεύουν τη διαδικασία πρόσκρουσης με απλοποιημένο τρόπο, η πρόσφατη εργασία στοχεύει να συνδυάσει υπολογισμούς δυναμικής μεταφοράς μανδύα με πιο ρεαλιστικές, πλήρως δυναμικές προσομοιώσεις της διαδικασίας πρόσκρουσης. Αυτός ο τύπος μοντελοποίησης έχει αναπτυχθεί παράλληλα αλλά σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητα από τις προσομοιώσεις μεταφοράς μανδύα τις τελευταίες δεκαετίες, αν και και οι δύο βασίζονται στη μαθηματική διατύπωση της δυναμικής των ρευστών. Έχει εφαρμοστεί σε φαινόμενα σοκ όλων των ειδών, από την πρόσκρουση των βλημάτων τεχνητής υπερταχύτητας σε έναν στόχο έως τα γιγάντια φαινόμενα πρόσκρουσης στην πλανητική επιστήμη, όπως η γιγαντιαία σύγκρουση κατά την οποία ένα σώμα μεγέθους Άρη συγκρούστηκε με την πρωτο-Γη, που υποτίθεται ότι είχε σχημάτισε τη Σελήνη [6]. Πράγματι, η συνήθης εφαρμογή των νόμων κλιμάκωσης είναι πιθανό να δώσει ανακριβή αποτελέσματα εάν το μέγεθος του κρουστικού εκκρεμούς πλησιάζει αυτό του πλανήτη-στόχου, κάτι που θα συνέβαινε όχι μόνο για τη σύγκρουση που σχηματίζει τη Σελήνη, αλλά και για την κάπως μικρότερη, αλλά ακόμα ογκώδης, πρόσκρουση που μπορεί να προκάλεσε το βόρειο ημισφαίριο του Άρη να έχει λεπτότερο φλοιό από το νότιο (ένα χαρακτηριστικό γνωστό ως η διχοτόμηση του φλοιού του Άρη). Σε αυτήν την περίπτωση, πλήρως δυναμικές προσομοιώσεις της λοξής πρόσκρουσης ενός αστεροειδούς διαμέτρου άνω των 1000 km στον Άρη μπόρεσαν να αναπαράγουν χαρακτηριστικά γνωρίσματα της διχοτομίας [7].

Το πλεονέκτημα τέτοιων μοντέλων είναι ότι αποτυπώνουν την πολύπλευρη φυσική της πρόσκρουσης - σχηματισμός κρατήρα, βαλλιστική εκτίναξη, διάδοση κρουστικών κυμάτων, θέρμανση και τήξη - με μεγαλύτερη ακρίβεια και λεπτομέρεια από τους εξιδανικευμένους νόμους κλιμάκωσης. Και οι δύο τύποι προσομοιώσεων είναι υπολογιστικά πολύ απαιτητικοί, αλλά η τροφοδοσία των αποτελεσμάτων από μια δυναμική προσομοίωση κρούσης σε έναν αλγόριθμο μεταφοράς υπόσχεται την ανάπτυξη πιο ρεαλιστικών μοντέλων που μπορεί να εξηγήσουν καλύτερα τις πραγματικές παρατηρήσεις που γίνονται από διαστημόπλοια. Αυτό αποδείχθηκε σε μια πρόσφατη μελέτη της επίδρασης πολλαπλών μεγάλων κρούσεων στη Σελήνη, στην οποία, για παράδειγμα, ελήφθη υπόψη η παραγωγή κουβερτών εκτινάξεων [5]:έδειξε ότι η μονωτική τους επίδραση οδηγεί σε ένα πιο ζεστό εσωτερικό και αυξάνει τη θερμότητα ροή μέσα από την επιφάνεια της Σελήνης αισθητά.

Αυτές οι εξελίξεις προς πιο ρεαλιστικά μοντέλα πλανητικών εσωτερικών χώρων που ενσωματώνουν έννοιες από τη δυναμική των γεωφυσικών ρευστών, την πετρολογία και την ορυκτολογία καθώς και την εφαρμοσμένη γεωφυσική και γεωλογία διευκολύνουν την πληρέστερη και βαθύτερη κατανόηση της πληθώρας των εντυπωσιακών παρατηρήσεων που είχαν οι πολλές αποστολές διαστημικών σκαφών των τελευταίων ετών μας έφερε και μας βοήθησε να σχεδιάσουμε μελλοντικές αποστολές. Η αριθμητική μοντελοποίηση είναι επομένως μια χρονομηχανή που μας μεταφέρει πίσω στο μακρινό παρελθόν του Ηλιακού μας Συστήματος, μας επιτρέπει να παρακολουθούμε την εξέλιξη των πλανητών και μας δίνει τη δυνατότητα να κατανοήσουμε καλύτερα γιατί αυτοί και η δική μας Γη είναι έτσι όπως είναι. /P>

Αναφορές

1. Reese et al. (2002), http://dx.doi.org/10.1029/2000JE001474
2. Watters et al. (2009), http://dx.doi.org/10.1029/2007JE002964
3. Roberts &Arkani-Hamed (2012), http://dx.doi.org/10.1016/j.icarus.2011.11.038
4. Ruedas &Breuer (2017), http://dx.doi.org/10.1002/2016JE005221
5. Rolf et al. (2017), http://dx.doi.org/10.1016/j.icarus.2016.10.007
6. Canup (2004), https://www.annualreviews.org/action/cookieAbsent
7. Marinova et al. (2008), http://dx.doi.org/10.1038/nature07070

Ένα μέρος αυτής της μελέτης, Σχετικά με τη σχετική σημασία της θερμικής και χημικής άνωσης στην τακτική και προκαλούμενη από κρούση τήξη σε έναν πλανήτη που μοιάζει με τον Άρη δημοσιεύτηκε πρόσφατα από τους Thomas Ruedas και Doris Breuer στο Journal of Geophysical Research – Planets.