[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究提出，火星上的坡向线性特征（RSL）是由湿度诱导的颗粒凝聚力引起的季节性颗粒流所致，而非液态水流动。通过二维离散元法（DEM）模拟，结果表明，当液桥体积约为颗粒体积的10⁻⁷倍时，休止角可增至约40°——与RSL坡度一致——并在水分蒸发时引发滑坡。该机制可解释RSL的季节性循环，且仅需极少量液态水，无需地下蓄水层的存在。

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.

研究动机与目标

• 探究火星相对湿度的季节性变化如何驱动坡向线性特征（RSL）的重现。
• 确定使火星沙粒休止角增加至与RSL坡度匹配所需的临界液桥体积。
• 检验脱水作用或毛细冷凝产生的凝聚力是否可在无需大量水体的情况下触发颗粒流。
• 提出一种机制：通过润湿与干燥循环解释RSL的形成与消退，从而解决干态机制的关键局限性。

提出的方法

• 采用二维离散元法（DEM）模拟在火星重力（3.7 m/s²）下的颗粒堆行为。
• 将休止角作为液桥体积与颗粒尺寸的函数进行计算，凝聚力通过毛细力建模。
• 模拟中液桥体积（V）在5×10⁻¹⁹至2×10⁻¹⁸ m³之间变化，颗粒直径在150–700 µm之间。
• 将液桥体积与颗粒体积之比（V/V_particle）作为关键控制参数，以评估凝聚力的影响。
• 每组参数下平均10次模拟结果以减少统计噪声并计算标准差。
• 通过对比地球与火星重力下的休止角，分离重力对凝聚力驱动坡面稳定性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 火星上的相对湿度循环是否可通过凝聚力诱导的颗粒流驱动RSL的季节性重现？
• RQ2 火星沙粒间所需多大体积的液桥才能使休止角增至约40°，与RSL起始坡度匹配？
• RQ3 在火星重力条件下，液桥体积与颗粒体积之比如何影响休止角？
• RQ4 是否可通过润湿与干燥循环解释RSL的季节性消退与重新激活，而无需依赖大量水源？
• RQ5 凝聚力驱动的流动机制是否能同时解释RSL的形成与消失，从而解决干态机制的局限性？

主要发现

• 当液桥体积约为2×10⁻¹⁸ m³时，地球重力下休止角增至约36°，对应液桥体积与颗粒体积之比约为2.4×10⁻⁷。
• 在火星重力（3.7 m/s²）下，液桥体积在5×10⁻¹⁹至2×10⁻¹⁸ m³之间时，休止角为35–40°，与RSL起始区域的坡度一致。
• 达到约40°所需液桥体积与颗粒体积之比的量级为10⁻⁷，与水汽的脱水作用或毛细冷凝一致。
• 对于600–700 µm的颗粒直径，液桥体积约2×10⁻¹⁷ m³时，休止角仍可达约38°，表明该机制在不同颗粒尺寸下具有鲁棒性。
• 在湿润条件下，休止角强烈依赖于颗粒尺寸，这是由于凝聚力遵循R³依赖关系；而在干燥条件下，休止角保持在约30°左右。
• 该模型表明，RSL的形成发生在干燥阶段（低湿度），而RSL的消退发生在湿润阶段，从而在无需大量水源的情况下解释了其季节性循环。