¿Cuánta presión atmosférica (CO2) se requiere para transportar polvo de óxido de hierro en el viento?

Es de conocimiento común que hay remolinos de polvo y tormentas de polvo en Marte. Pero, ¿podemos demostrar que la presión atmosférica en Marte, que es el 0,6% de la presión que experimentamos en la Tierra, proporciona suficiente masa atmosférica para poder suspender partículas sólidas en el aire durante largos períodos de tiempo, resistiendo las fuerzas de la gravedad y la naturaleza? ¿flotabilidad?

Es fácil suponer que la atmósfera de Marte es responsable de los torbellinos de polvo y las tormentas de polvo, pero me preocupa que tal vez no sea posible que una atmósfera tan delgada produzca estas fuerzas y efectos, y creo que puede ser necesario buscar otras posibles causas de los remolinos de polvo y las tormentas de polvo, como la estática u otros eventos electromagnéticos.

La NASA ha demostrado que el polvo marciano es increíblemente reactivo a cualquier tipo de fuerza eléctrica o magnética, como quizás el viento solar u otras formas de influencia magnética del sol, la Tierra o incluso Júpiter.
Después de todo, el polvo marciano es principalmente óxido de hierro, por lo que se debe esperar una fuerte interacción electromagnética.

Aquí hay una buena anécdota, citando observaciones de Marte desde la nave espacial Viking :

"... la velocidad del viento aumentó considerablemente; de ​​hecho, solo una hora después de la llegada de la tormenta, aumentaron a 17 m/s (61 km/h), con ráfagas de hasta 26 m/s (94 km/h) Sin embargo, no se observó transporte real de material en ninguno de los sitios, solo un brillo gradual y una pérdida de contraste del material de la superficie a medida que el polvo se asentaba sobre él".

La pregunta principal es, ¿podemos demostrar si la atmósfera ultrafina de CO 2 de Marte tiene o no la capacidad física de arrastrar polvo al aire, sin la ayuda de otras fuerzas, bajo velocidades de viento normales o incluso altas?

Actualización:
Leí parte de la literatura proporcionada por Russell McMahon en su excelente respuesta a esta pregunta. (¡Gracias!)
Me gustaría proporcionar algunos comentarios, pero no podré incluir todo esto en un comentario, así que lo pondré aquí en la pregunta.

Empecé a leer el artículo de Space.com que mencionó Russell, y de inmediato comencé a ver lenguaje sospechoso:

"Las nuevas imágenes del Mars Reconnaissance Orbiter muestran dunas de arena arrastradas por el viento moviéndose a través de la superficie marciana, a veces hasta varios metros a la vez, dijeron los científicos".

"'Marte tiene más ráfagas de viento de las que sabíamos antes, o los vientos son capaces de transportar más arena', explicó el científico planetario Nathan Bridges del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins en Laurel, Maryland, quien dirigió el nuevo estudio. sobre las cambiantes dunas de arena en Marte. "Solíamos pensar que la arena en Marte era relativamente inmóvil, por lo que estas nuevas observaciones están cambiando toda nuestra perspectiva".

Digo que este es un lenguaje sospechoso, porque suena como una lógica circular o defectuosa:

  1. Conocemos la presión atmosférica y la composición química tanto de la atmósfera como de la superficie marciana.
  2. Observamos y medimos la velocidad del viento, y determinamos que el viento no debería poder mover las dunas de arena, presumiblemente en base a ecuaciones como la clásica ecuación de arrastre, etc.
  3. Luego observamos que las dunas de arena se mueven bastante rápido, a pesar de la falta de suficiente composición de viento.
  4. Por lo tanto, el viento marciano debe ser capaz de mover arena con mucha facilidad, a pesar de nuestras observaciones anteriores de que el viento marciano realmente no puede mover nada en absoluto.
  5. Por lo tanto, tal vez las partículas reboten en el suelo después de ser transportadas por el viento, provocando reacciones en cadena durante cientos de millones de años, etc., etc.

El problema con esta lógica es cuando dicen: "Las dunas de arena marcianas se están moviendo rápidamente, por lo tanto, el viento marciano debe poder mover rápidamente las dunas de arena, aunque el viento marciano no debería poder mover las dunas de arena en absoluto según nuestra comprensión de la resistencia del viento".

Por lo que sabemos, los vientos marcianos tienen poco o nada que ver con la arena que se mueve por el planeta.

Nuestras observaciones y mediciones previas de las condiciones atmosféricas en Marte respaldan la idea de que el viento no puede ser un factor importante, incluso durante períodos de tiempo cósmico.

Después de todo, vemos que las tormentas de polvo comienzan en un período de horas/días, cubren el planeta hasta por un mes, luego disminuyen nuevamente en un período de horas/días y vuelven a los patrones normales de clima despejado; claramente, esto no toma cientos. de millones de años para generar una reacción en cadena de polvo en el viento.

Toda la charla sobre partículas de polvo que rebotan en el suelo y comienzan reacciones en cadena suena como una especulación defectuosa, ya que se basa en la idea de que no hay suficiente gravedad para mantener el polvo en el suelo, pero de alguna manera hay mucha gravedad cuando el polvo finalmente golpea. de regreso al suelo con la fuerza suficiente para enviar varias partículas de polvo más al aire. Esto suena como una máquina de movimiento perpetuo, es decir, una violación de la ley de conservación de la energía.

Como comunidad científica, siento que debemos reconocer el hecho de que deben estar en juego otras fuerzas, en particular las fuerzas electromagnéticas. Cualquier explicación basada en el viento que se nos ocurra parece una tontería, y las tormentas de polvo y los remolinos de polvo se parecen inquietantemente a varias formaciones de filamentos de plasma electrificados que se pueden reproducir en los laboratorios.

¿Qué opinas, Russell?
¿Y tú qué opinas, StackExchange?

Pasando corriendo .... . Un montón de "quizás" aquí. No lo sé, pero: electromagnético parece poco probable (pero no lo sé). La electrostática puede ayudar - clima muy seco - probablemente algunos granos muy finos. Usted (puede) obtener una carga de polvo de los efectos triboeléctricos que ayuda a su capacidad de separarse de las partículas adyacentes y ser levantado por el viento. | Un aspecto (posiblemente) importante es que se aplica la ley del cubo cuadrado. La masa aumenta con el radio (o el lado) al cubo, pero el área con el radio al cuadrado. Cuando se ejerce una fuerza de arrastre, la fuerza por masa disminuye al aumentar el radio, y aumenta igualmente a medida que disminuye el tamaño de las partículas.
Esto lleva a la observación de sentido común de que el polvo fino es más propenso a ser arrastrado por el viento: los granos más grandes son "demasiado pesados" aunque estén hechos del mismo material de densidad. Salta sin paracaídas desde un avión en altitud y mueres. Deja caer un ratón de campo o una hormiga y viven (de todos modos, en cuanto al impacto). A ambos los salva la ley del cuadrado al cubo. Escala y hormiga al tamaño humano y se destruiría mecánicamente. | Debe volar (metafóricamente) - tal vez más pronto.

Respuestas (1)

La fuerza ejercida por un flujo de aire se da en una buena primera aproximación mediante la clásica ecuación de arrastre:

Fuerza = 0.5 x Rho x Cd x A x V^2

Rho = densidad del gas
Cd = coeficiente de arrastre con respecto al arrastre de placa plana ( 0 < Cd <= 1)
A = área proyectada relativa al flujo
V = velocidad

Principalmente opinión: desconozco el tamaño de las partículas del polvo marciano, pero esta información estará disponible, y es probable que la ausencia de agua superficial sustancial durante 'mucho tiempo' haya dado lugar a una cantidad sustancial de pequeñas partículas debido al viento. abrasión impulsada. Incluso las perturbaciones muy pequeñas de partículas más grandes conducirán a una mayor "molienda" después de unos pocos (cientos) de millones de años.

Hecho principal: las fuerzas del "viento" de Marte se alterarán en relación con las de la Tierra por una menor densidad debido a la reducción de la presión atmosférica, una mayor densidad por presión debido al CO2 y, en general, mayores velocidades. Para velocidades conocidas, como las citadas en su ejemplo, será posible calcular la fuerza resultante por área en comparación con las de los vientos terrestres típicos.

El viento es impulsado casi en su totalidad por energía térmica. La insolación marciana es bien conocida y estarán disponibles modelos de velocidades de viento marcianos.

En la literatura más antigua se han sugerido velocidades del 'viento' marciano de cientos de km/h. A medida que la fuerza aumenta con la velocidad al cuadrado, la atmósfera de CO2 de baja presión necesita ~~= 10 x la velocidad del viento terrestre para ejercer la misma fuerza por área. Así que un viento marciano de 200 km/h ejercería aproximadamente la misma fuerza por área que un viento terrestre de 20 km/h. Sin verificar las referencias, parece estar en el lado bajo en cuanto a la alteración sustancial del polvo, pero lo suficiente como para causar remolinos y cierto movimiento de polvo. Aumente eso a 300 kph y probablemente tenga una tormenta de polvo. Especialmente si las "finas" son tan finas como cabría esperar del medio ambiente.

Sin embargo, tales velocidades están por encima de las reportadas hasta ahora.
Entonces, mira a continuación:


Buena discusión sobre mecanismos y magnitud : citas de Nathan Bridges, científico planetario de la Universidad Johns Hopkins y Jasper Kok, del departamento de Ciencias Atmosféricas y de la Tierra de la Universidad de Cornell.

  • Los científicos sospechan que se necesita un gran viento para que las partículas de arena se eleven por el aire, pero una vez lanzadas desde la superficie, rebotan con facilidad, gracias a la delgada atmósfera del planeta y la baja gravedad.

    "Es como jugar al golf en la luna: (la arena) sube muy alto y lejos en comparación con lo que hace en la Tierra. Cuando aterriza, puede alcanzar velocidades realmente grandes, incluso con vientos de baja velocidad, y salpicar un montón de otras partículas para mantener el proceso en marcha",

    Una vez que la arena se mueve en Marte, la velocidad del viento puede reducirse en un factor de 10 y seguir siendo lo suficientemente fuerte como para transportar tanta arena como la que se mueve en muchos lugares de la Tierra, muestra el nuevo estudio.

y

  • "Mostramos un mecanismo en el que esta arena que sopla puede realmente erosionar rocas, puede erosionar paisajes. Puede ser un proceso bastante activo en el entorno actual", dijo Bridges a Discovery News.

    "Hasta hace unos años, no estaba claro cuánto se movían las dunas de arena en Marte, o incluso si se movían en absoluto", agregó Bridges.

Una buena discusión a nivel populista sugiere que el movimiento de arena basado en el viento es mayor de lo esperado.

Space.com - Buena discusión aquí - Se dice que se requieren 130 km/h para el movimiento de la arena.

¡Muchas gracias por esta fabulosa respuesta detallada! Estoy disfrutando leyendo el material. He proporcionado algunos comentarios iniciales extensos, en una edición de la pregunta (demasiado larga para un comentario). Déjame saber lo que piensas.
Supongo que para los granos de polvo, el arrastre es proporcional a v no v 2 . el cambio de v a v 2 ocurre cuando el flujo se vuelve turbulento, y supongo que la velocidad del grano de polvo en relación con la atmósfera es lo suficientemente pequeña como para que el flujo de aire sea laminar.
@JohnRennie Si el delta-Vis es pequeño, es de suponer que el grano sigue la corriente: misión cumplida. Si las partículas están estacionarias y esperando ser perturbadas, incluso si solo algunas ven un flujo turbulento, es potencialmente suficiente. Para el flujo laminar, la suposición de Cd=1 es probablemente deficiente (casi por definición) y el modelado "se vuelve difícil".