Кухонные эксперименты проливают свет на марсианские вулканические конусы без корней

Из кухни на Марс. Автор: Niigata University

Конусы без корней — это небольшие вулканические формы рельефа диаметром от нескольких до нескольких сотен метров, образованные непрерывными взрывами, возникающими в результате взаимодействия поверхностной лавы с водоемами, такими как озера и реки. В отличие от обычных вулканов, возникающих из магмы, поднимающейся из глубины земли, конусы без корней образуются, когда лава покрывает слой, содержащий воду, вызывая взрывные реакции.

Из-за этого процесса их также называют псевдократерами. Хотя в Исландии много конусов без корней, в других местах они встречаются реже, небольшие образцы найдены вдоль побережья Большого острова на Гавайях. Напротив, на Марсе были обнаружены обширные поля конусов без корней, что делает механизмы их формирования важным направлением планетарной геологии.

Доцент Рина Ногучи и ее студент Ватару Накагава из Университета Ниигаты недавно провели аналоговые эксперименты в помещении для моделирования образования конуса без корней. Результаты опубликованы в журнале Journal of Volcanology and Geothermal Research.

В качестве аналога лавы они использовали подогретый крахмальный сироп, а в качестве водосодержащего слоя — смесь пищевой соды и сиропа для торта.

В естественных условиях температура лавы превышает 1000°C, нагревая воду до тех пор, пока она не испарится и не расширится взрывным образом. Однако крахмальный сироп достигает температуры всего около 140°C перед карамелизацией, недостаточной для испарения воды.

Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи использовали термическое разложение пищевой соды — реакцию, знакомую по приготовлению карумэяки (японских ирисок в виде сот) — для усиления пенообразования.

Схематическая диаграмма эксперимента (слева) и состояние стакана после завершения эксперимента (справа). На правом рисунке светло-зеленая пунктирная линия обозначает канал, который достиг поверхности сиропа, а пурпурная линия обозначает неисправный канал. Автор: Niigata University

При нагревании крахмальным сиропом пищевая сода (бикарбонат натрия) выделяет углекислый газ, усиливая пенообразование и имитируя взрывы, похожие на образование конусов без корней. Для регулировки вязкости добавлялся сироп для торта. Исследователи варьировали густоту сиропа в стакане и тщательно анализировали размер и количество образующихся отверстий.

«Мы наблюдали, что каналы часто не сохраняли свою структуру, поскольку они были нарушены близлежащими формирующимися каналами», — объяснил доц. Ногучи. Исследование показало, что конкуренция каналов, в дополнение к конкуренции за воду, значительно влияет на пространственное распределение конусов без корней.

Более толстые слои сиропа показали большую конкуренцию между каналами, что привело к увеличению числа неисправных каналов, что согласуется с наблюдениями на Марсе, где более толстая лава коррелирует с меньшим количеством конусов без корней.

Напротив, в средах с обильными каналами (что указывает на множество конусов без корней) взрывы были снижены из-за ограниченной доступности воды, что привело к образованию более мелких конусных сооружений. Это согласуется с наблюдениями на Марсе, которые показывают, что области с тонкой лавой не имеют особенностей, похожих на конусы без корней.

Дополнительным подтверждением этой идеи являются разрушенные структуры каналов, наблюдаемые в наземных лавовых обнажениях, что свидетельствует о том, что конкуренция каналов повсеместно влияет на формирование конусов без корней.

Шишки без корней на Земле (слева) и Марсе (справа). Фотография слева сделана на озере Миватн в Исландии. Изображение справа создано с помощью CTX Global Mosaic v.1.0 (Dickson et al., 2023). Автор: Niigata University

Эти эксперименты и геологические наблюдения подчеркивают, что слияние и разделение каналов, обусловленное толщиной лавы, являются ключевыми факторами, определяющими пространственное распределение и размер бескорневых конусов.

Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию формирования бескорневых конусов на Земле и расширяют знания о схожих формах рельефа на других планетах, в частности на Марсе.

В будущих исследованиях будут объединены подробные полевые исследования с данными дистанционного зондирования для уточнения моделей формирования и улучшения интерпретации прошлых условий окружающей среды, связанных с развитием бескорневых конусов.

Больше информации: Rina Noguchi et al, Experimental verification for self-organization process on the spatial distribution and edifice size of rootless cone, Journal of Volcanology and Geothermal Research (2024). DOI: 10.1016/j.jvolgeores.2024.108221

Источник: Niigata University