[論文レビュー] Angle of repose of Martian wet sand using discrete element method: Implication for the seasonal cycle of recurring slope lineae(RSL) by relative humidity

Daigo Shoji, Shoko Imamura+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2019

Planetary Science and Exploration参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、火星の再発斜線（RSL）が、液体水の流れではなく、湿度に起因する凝集力によって駆動される季節的粒状流によって生じると提案している。2次元離散要素法（DEM）シミュレーションの結果、粒子体積の約10⁻⁷倍の液体ブリッジ体積が、安定角を約40°にまで上昇させ、水が蒸発する際に landslides（雪だるま崩れ）を引き起こすことが示された。このメカニズムにより、最小限の水でRSLの季節的サイクルが説明可能となり、地下の地下水層の存在を仮定する必要がなくなる。

ABSTRACT

Seasonal cycle of Martian relative humidity shows that, in the southern and the northern RSL sites, humidity decreases when RSL increment while humidity is high on the fading season. We suggest that the recurrence of RSL is caused by the different angle of response between wet and dry grains. 2D DEM simulation indicates that, when the ratio of a liquid bridge volume to a particle volume is the order of 10^{-7}, the repose angle of Martian sand can increase to ~40 degrees due to cohesion, which is near the slope around RSL starting area. Thus, if this amount of liquid bridge is generated by deliquescence or capillary condensation of vapor and if the water evaporates following the humidity and temperature cycles, Martian sand can induce avalanche on RSL slope. When grains are wet again, sand and dust deposit on RSL, which may be the mechanism of RSL disappearance and recharge of grains for the next season. In our model, because liquid induces RSL indirectly (RSL itself is the granular flow), the amount of liquid can be drastically reduced compared with the wet mechanism. In this case, as well as temperature, the seasonal cycle of relative humidity plays an important role in the recurrence of RSL.

研究の動機と目的

• 火星における相対湿度の季節的変化が、再発斜線（RSL）の再発をどのように駆動するかを調査すること。
• 火星の砂粒子の安定角をRSLの傾斜角と一致させるために必要な液体ブリッジ体積を特定すること。
• 脱水性または毛管凝縮によって生じる凝集力が、大規模な水の供給がなくても粒状流を誘発できるかどうかを検証すること。
• 湿潤化と乾燥化のサイクルによってRSLの形成と消滅が説明できるメカニズムを提示すること。これは、乾燥メカニズムの主な限界を解消する。

提案手法

• 火星の重力（3.7 m/s²）下での粒状パイルの挙動をモデル化するために、2次元離散要素法（DEM）シミュレーションが用いられた。
• 安定角は、液体ブリッジ体積と粒子径の関数として計算され、凝集力は毛管力によってモデル化された。
• 液体ブリッジ体積（V）は5×10⁻¹⁹から2×10⁻¹⁸ m³の範囲で変化させ、粒子径は150–700 µmの範囲で変動させた。
• 凝集力の影響を評価するための主要な制御パラメータとして、液体ブリッジ体積と粒子体積の比（V/V_particle）が用いられた。
• 統計的ノイズを低減し、標準偏差を計算するために、各パラメータセットについて10回の反復を平均化した。
• 重力の影響を分離するために、地球と火星の重力下での安定角を比較したモデルが構築された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 火星における相対湿度のサイクルが、凝集力に起因する粒状流によって、季節的再発を引き起こす可能性があるか？
• RQ2 火星の砂粒子間の液体ブリッジ体積がどの程度であれば、安定角を約40°にまで引き上げ、RSLの発生傾斜角と一致させられるか？
• RQ3 液体ブリッジ体積と粒子体積の比が、火星の重力下での安定角にどのように影響するか？
• RQ4 観測されたRSLの季節的消滅と再活性化は、大規模な水供給源がなくても、湿潤化と乾燥化のサイクルによって説明可能か？
• RQ5 凝集力に起因する流動メカニズムは、RSLの形成と消滅の両方を説明でき、乾燥メカニズムの限界を解消できるか？

主な発見

• 液体ブリッジ体積が約2×10⁻¹⁸ m³の場合、地球の重力下では安定角が約36°に上昇し、これは粒子体積に対する液体体積比が約2.4×10⁻⁷に相当する。
• 火星の重力（3.7 m/s²）下では、液体ブリッジ体積が5×10⁻¹⁹～2×10⁻¹⁸ m³の範囲で安定角が35～40°に達し、RSL発生領域の傾斜角と一致する。
• 約40°の安定角に到達するための液体ブリッジ体積と粒子体積の比は10⁻⁷のオーダーであり、これは水蒸気の脱水性または毛管凝縮と整合的である。
• 粒子径が600–700 µmの場合、液体ブリッジ体積が約2×10⁻¹⁷ m³であっても安定角は約38°に達するため、粒子径の変動に対しても安定性が確認された。
• 湿潤状態では、凝集力のR³に比例する依存性により粒子径に強く依存するが、乾燥状態では安定角は約30°にほぼ一定に保たれる。
• モデルは、RSLの形成が乾燥（低湿度）時に発生し、RSLの消滅が湿潤化時に発生することを示唆しており、大規模な水供給源が不要な季節的サイクルを説明できる。