[논문 리뷰] 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 Imamura외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 13.

Planetary Science and Exploration참고 문헌 17인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 화성의 반복적 경사선형(Recurring Slope Lineae, RSL)이 액체 수류가 아닌 습도에 의해 유도되는 응집력에 의해 유도되는 계절적 입자 유동의 결과임을 제안한다. 2차원 이산 요소 방법(Discrete Element Method, DEM) 시뮬레이션을 통해, 입자 부피의 약 10⁻⁷배 정도의 액체 브릿지 체적이 입자 부피의 약 40°에 이르는 안정 각도를 증가시켜 RSL 경사각과 일치시키며, 수증기가 증발할 때 산란이 발생하게 된다. 이 메커니즘은 극소량의 액체 수분으로도 RSL의 계절 주기를 설명하며, 지하 수원이 필요로 하는 것을 피한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 화성에서 상대 습도의 계절적 변화가 반복적 경사선형(RSL)의 재발을 어떻게 유도할 수 있는지 조사하기.
• RSL 경사각과 일치시키기 위해 화성 모래 입자의 안정 각도를 증가시키는 데 필요한 액체 브릿지 체적을 규명하기.
• 큰 수분 예산이 필요로 하지 않는 델리퀘센스 또는 카프릴라 응축에 의한 응집력이 입자 유동을 유도할 수 있는지 테스트하기.
• 습윤 및 건조 주기의 메커니즘을 제안하여 RSL 형성과 소멸을 모두 설명함으로써, 건조 메커니즘의 핵심 한계를 해결하기.

제안 방법

• 화성 중력(3.7 m/s²) 하에서 입자 더미의 거동을 모델링하기 위해 2차원 이산 요소 방법(DEM) 시뮬레이션을 사용하였다.
• 안정 각도는 액체 브릿지 체적과 입자 크기를 함수로 하여 계산되었으며, 응집력은 카프릴라력으로 모델링되었다.
• 액체 브릿지 체적(V)은 5×10⁻¹⁹에서 2×10⁻¹⁸ m³로, 입자 직경은 150–700 µm 범위에서 변동되었다.
• 응집력 영향을 평가하기 위해 액체 브릿지 체적과 입자 부피의 비율(V/V_particle)을 핵심 제어 변수로 사용하였다.
• 통계적 노이즈를 줄이고 표준편차를 계산하기 위해 각 파rameter 조합에 대해 10회의 반복을 평균화하였다.
• 중력의 영향을 분리하기 위해 지구와 화성 중력 조건에서의 안정 각도를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 화성에서 상대 습도 주기가 응집력에 의해 유도되는 입자 유동을 통해 RSL의 계절적 재발을 유도할 수 있는가?
• RQ2 화성 모래 입자 간의 액체 브릿지 체적이 약 40°의 안정 각도로 증가시키기 위해 필요한 체적은 얼마인가?
• RQ3 화성 중력 하에서 액체 브릿지 체적과 입자 부피의 비율이 안정 각도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 RSL의 계절적 퇄화 및 재활성화는 큰 수원이 필요로 하지 않는 습윤 및 건조 주기로 설명될 수 있는가?
• RQ5 응집력에 의해 유도되는 흐름 메커니즘이 RSL의 형성과 동시에 사라짐을 모두 설명할 수 있는가? 이는 건조 메커니즘의 한계를 해결하는가?

주요 결과

• 액체 브릿지 체적이 약 2×10⁻¹⁸ m³일 경우, 지구 중력 하에서 안정 각도는 약 36°로 증가하며, 이는 액체 대 입자 부피 비율 약 2.4×10⁻⁷에 해당한다.
• 화성 중력(3.7 m/s²) 하에서 액체 브릿지 체적이 5×10⁻¹⁹에서 2×10⁻¹⁸ m³일 경우, 안정 각도는 35–40°로 나타나 RSL 시작 지역의 경사각과 일치한다.
• 약 40°의 안정 각도를 달성하기 위해 필요한 액체 브릿지 체적과 입자 부피의 비율은 약 10⁻⁷ 수준이며, 이는 수증기의 델리퀘센스 또는 카프릴라 응축과 일치한다.
• 입자 직경이 600–700 µm일 경우, 액체 브릿지 체적이 약 2×10⁻¹⁷ m³여도 안정 각도는 약 38°로 유지되며, 이는 다양한 입자 크기에서의 강건성을 보여준다.
• 습한 조건에서는 응집력의 R³ 의존성으로 인해 입자 크기에 따라 안정 각도가 크게 영향을 받지만, 건조한 상태에서는 안정 각도가 약 30°로 유지된다.
• 모델은 RSL 형성이 건조 조건(낮은 습도)에서 발생하고, RSL 퇴색은 습윤 조건에서 발생함을 시사하며, 이는 큰 수원이 필요로 하지 않는 계절 주기를 설명한다.