Laviny na Saturnově měsíci Japetus

„Všude se sluneční soustavě vidíme sesuvy půdy,“ říká Kelsi Singerová, magisterská studentka věd o planetách a Zemi na fakultě věd a umění Washingtonské university v St. Louis, „ale Saturnův ledový měsíc Japetus má více obřích sesuvů půdy než kterékoli jiné těleso sluneční soustavy s výjimkou Marsu.“ Důvod, říká William McKinnon, PhD, profesor věd o planetách a Zemi, je úžasná topografie Japetu. „Nejen, že měsíc nemá přesně kulový tvar, ale obří impaktní krátery jsou velmi hluboké a je zde horský hřeben vysoký 20 km (12 mil), mnohem vyšší než Mount Everest.

„Takže Japetus má složitou topografii. Materiál uložený dlouhodobě ve vyšších polohách se čas od času dá do pohybu“, dodává McKinnon. Při sesuvu z velké výšky získá led vysokou rychlost — a pak se začnou dít zajímavé věci. Koeficient tření se nějakým způsobem snižuje a částice materiálu začínají spíše téci než padat a kutálet se. Přitom urazí velké vzdálenosti, než se jejich kinetická energie utlumí a než se nakonec zastaví.

V časopise Nature Geoscience, který vyšel 29. července, Singerová, McKinnon a jejich kolegové Paul M. Schenk z Lunar and Planetary Institute a Jeffrey M. Moore z NASA Ames Research Center, popisují tyto obří ledové laviny.

V článku vyzývají experimentální fyziky k měření tření sypajícího se ledu a naznačují mechanismus, který by mohl způsobovat sesuvy ledu nebo kamení. Naznačený mechanismus se neuplatňuje jen při sesuvech nebo lavinách, ale i při zemětřesení nebo při otřesech kůry ledových měsíců.

 

Příliš mnoho hypotéz

Ledové laviny na Japetu nejsou právě rozsáhlé; jsou rozsáhlejší, než by měly být vlivem známých sil. Obdobou ledové laviny na Japetu je a dlouhotrvající sesuv kamení nebo padající proud (i v angličtině se používá německé značení Sturzstrom, „fallstream“). Většina sesuvů urazí vodorovnou vzdálenost, která je menší než dvojnásobek výšky, ze které kameny padají. Nicméně ve vzácných případech sesuv urazí vzdálenost 20× nebo 30× větší, než je výškový rozdíl, přičemž se pohybuje na velké vzdálenosti vodorovně nebo dokonce mírně do kopce. Tyto mimořádné pohyblivé sesuvy, které vypadají spíše jako rozlevy tekutiny než sesuvy kamení, dlouho vědce fascinovaly. Mechanika normálního sesuvu kamení je přímočará. Kamení se sune dolů dokud tření mezi jednotlivými kameny a mezi kameny a podložím neutlumí kinetickou energii získanou padáním a dokud se kamení nezastaví.

Ale k vysvětlení mnohem pohyblivějších sesuvů je nutné najít jiný teoretický popis, zahrnující i procesy, které snižují tření. Potíž je, že neexistuje shoda v názoru na to, co by mohlo mimořádnou tekutost sesuvů způsobovat. Návrhy na vysvětlení zahrnují uplatnění vzduchového polštáře, mazání vodou nebo jemnou kamennou drtí nebo tenká povrchová vrstva roztaveného materiálu. „Mechanismů je zkrátka více, než kolik se jich vejde na powerpointové slajdy“, směje se McKinnon. „Sesuvy na Japetu jsou celoplanetární experimenty, které nedokážeme napodobit v laboratoři, ani nemůžeme nikde pozorovat na Zemi pozorovat jejich obdobu“, dodává Singerová. „Tyto sesuvy představují příklady obřích sesuvů ledu místo horniny, při menší gravitaci a bez atmosféry. Takže každá teorie sesuvů na Zemi musí fungovat také pro laviny na Japetu.“

 

Experiment při nehodě

McKinnon, jehož výzkum se soustřeďuje na ledové měsíce ve sluneční soustavě, studuje Japetus od té doby, co sonda Cassini poprvé proletěla v blízkosti Japetu v prosinci 2004 a v září 2007, a dodává obrázky ledových měsíců nám na Zemi. Téměř všechno na Japetu je zvláštní. Měl by být sférický, ale má větší rovníkový průměr, než polární, pravděpodobně proto, že zcela zmrznul ještě v době, kdy rotoval podstatně větší rychlostí než dnes. Má rovná pásma mimořádně vysokých hor záhadného původu, která lemují většinu jeho rovníku. Kvůli své zavalitosti a obřímu horskému hřebenu vypadá měsíc jako přerostlý vlašský ořech.

Jestliže si povrch Japetu zachoval tvar z doby, kdy měsíc rotoval rychleji, musí být jeho povrch vystavený napětí. Na snímcích z Cassini by proto měly být viditelné nějaké zlomy v ledové kůře měsíce. Singerová prohlédla velmi pečlivě všechny snímky Japetu, ale po zlomech nenašla ani památky. Místo toho objevovala další obří laviny. Postupně identifikovala 30 masivních ledových lavin: 17, které zasypaly dna kráterů a dalších 13, které smetly propady v rovníkové horské oblasti.

Pečlivá měření výšek, ze kterých padal led a sypaly se laviny, však nevedly k potvrzení některé z oblíbených teorií mimořádné pohyblivosti daleko tekoucích lavin. Vědci nicméně říkají, že získaná data nemohou oblíbené teorie vyloučit, protože data z Japetu nejsou s daty o sesuvech na Zemi nebo na Marsu porovnatelná.

Je však jasné, že koeficient tření v lavinách (odhadované přibližně jako poměr výškou pádu a uraženou vodorovnou vzdáleností) není v souladu s koeficienty tření velmi studeného ledu (o teplotách, jaké panují na Japetu), naměřenými v laboratoři.

Koeficienty tření se mohou měnit téměř od nuly po velké hodnoty. Laboratorní měření koeficientů tření pro velmi studený led leží mezi 0,55 a 0,7. Opravdu studená ledová tříšť je tekutá přibližně stejně jako plážový písek. Koeficienty pro laviny na Japetu se však pohybují v rozsahu od 0,1 do 0,3. Něco tam nesedí.

 

Testovatelná hypotéza

V typickém laboratorním experimentu na měření koeficientu tření ledu, se používají ledové válečky, které rotují proti sobě a měří se jejich odpor proti rotaci. Pohybuje-li se led pomalu, je koeficient tření velký. Ale když se pohybuje rychleji, může být koeficient tření nižší.

Způsobil by rychlý pohyb superstudenou kluzkost ledu? To je testovatelná hypotéza.

 

Tření není triviální záležitost

Jestliže se led stává kluzčím, pohybuje-li se rychle, jak to bude s kamením?

Experimenty s horninami při vyšší rychlosti už byly provedeny. Při nízkých kluzných rychlostech, se koeficient tření hornin pohybuje mezi 0,6 a 0,85. Ale když se částečky horniny pohybují vůči sobě dostatečnou rychlostí, koeficient tření je přibližně 0,2. To je stejné rozpětí hodnot jako u ledových lavin na Japetu.

Nikdo neví jistě, co působí jako mazadlo, když je hornina vystavena silnému impulsu síly při zemětřesení, ale jedna z nejjednodušších hypotéz je hypotéza bleskového zahřátí (flash heating). Podle ní se v okamžiku, kdy se materiál dává do pohybu, zahřívají třením body, ve kterých se zrnka materiálu vzájemně dotýkají. Při překročení kritické rychlosti vznikne třením v dotykových bodech tolik tepla, že se toto teplo nestačí odvádět, což vede k zahřátí zrnek na tak vysokou teplotu, že v dotykových bodech změknou nebo se dokonce začnou tavit.

To by mohlo vysvětlovat vysoké rychlosti pohybujícího se materiálu a velkou změnu jeho polohy při zemětřeseních.

Hypotézu bleskového zahřátí podpořil objev hornin, které vypadají, jako by prošly tavením v důsledku tření. Tyto horniny se nazývají frikcionity (frictionites) nebo pseudotachylity (pseudotachylites). Nacházejí se podél poruch zemské kůry tam, kde hornina změnila polohu v důsledku zemětřesení.

„Mohli byste si myslet, že tření je triviální“, říká McKinnon, „ale není. A to se týká jak tření mezi částečkami ledu, tak tření mezi částečkami horniny. Je to důležité nejen pro pochopení sesuvů, ale i pro pochopení toho, co se stane při zemětřesení a stabilitu pevné půdy pod našima nohama. A to je také důvod, proč je pozorování vzdáleného Japetu tak zajímavé a podnětné.“