Aktuel Naturvidenskab | 5 | 2000 4 MARSFORSKNING En vind som på Mars - unikke forsøg i Århus Hvad sker der, når det blæser på Mars? Hvilke partikler bliver flyttet af vinden, og hvad betyder det for en mission til Mars? Disse spørgsmål prøver danske forskere at besvare i øjeblikket. Af Jørgen Dahlgaard efter interview med Jonathan Merrison n Et af de vigtigste videnska- forskellige fra forholdene på belige mål for NASA er at for- Jorden, og i tanken skal udstyr stå og forklare livets opståen testes til brug for kommende og udvikling. Her er udforsk- missioner til Mars. ningen af planeten Mars ble- Prøvetanken kan pumpes vet en vigtig brik, og et cen- tom for atmosfærisk luft og fyl- tralt spørgsmål er, om der er des med luftarter, sådan at man eller har været liv på planeten. får en atmosfære, som er meget I år er der fremkommet stærke lig den på Mars. Hovedparten indicier for, at der findes vand af atmosfæren består af kuldio- på Mars den dag i dag. Dan- xid (95,3%) og kvælstof (2,7%) ske forskergrupper med fysi- samt argon (1,6%). Desuden er keren Jens Martin Knudsen der spor af ilt (0,15%) og vand- som primus motor er med i damp (0,03%). Alligevel ser denne udfordrende jagt på li- man enorme støvstorme med vets gåde. Danskerne arbejder store vindhastigheder i den IFA Jens Kjeldsen, Foto: med magneter, magnetisme, tynde atmosfære på Mars med Et kig ind i vindtunnelen med forsøgsområdet, hvor det røde lys fra jernmineralogi og den røde en varighed af op til flere måne- laser-doppleren kan anes. Tunnelens indre er farvet rød pga. støv. marsjord. der. Lektor Per Nørnberg kigger med. Vinden kan transportere Mars i kælderen store mængder af fint støv Et lille stykke Mars er skabt i rundt, og det kan være et pro- en kælder i Århus, hvor et Mars- blem for kommende missioner og en lang række af andre heder op til 7 m/s, men nor- laboratorium er opbygget i lø- til Mars. Det fine støv er en spørgsmål trænger sig på, og malt arbejder den med hastig- bet af de sidste to år. På flere vigtig miljøfaktor på Mars. Stø- derfor er det nødvendigt at lave heder på 0,5 – 2 m/s, som ud måder søger man her at simu- vet vil sætte sig på alle instru- forsøg, hvor man efterligner fra målingerne på Pathfinder- lere forholdene på overfladen af mentoverflader, hvilket kan forholdene på Mars. missionen i 1997 er et realistisk Mars i en stor prøvetank af ødelægge instumenterne pga. niveau. Vindtunnelen består af jern, som blandt andet rummer elektriske udladninger og me- Prøvetanken og et lukket rørsystem, hvor “luf- en lille vindtunnel. Her får man kaniske nedbrud. vindtunnelen ten” cirkulerer rundt ved hjælp mere at vide om de mulige for- Hvordan skal instrumenterne Marstanken i Århus er 3 meter af en ventilator (se figur). Støv hold på planeten, og især om konstrueres for at virke bedst lang samt 1 meter i diameter. og mineralprøver kommer ind i samspillet mellem marsatmo- muligt på den fremmede pla- Inde i den lufttætte tank er der forsøgstanken via et tyndt rør. sfæren og marsstøvet (mars- net, og hvordan undersøger placeret en lille vindtunnel, Det er en blanding af prøve og jorden). Forholdene er meget man det røde marsstøv? Disse som kan præstere vindhastig- gas, som man blæser ind i tun- Aktuel Naturvidenskab | 5 | 2000 5 MARSFORSKNING Vindtunnelens forsøgsområde Tryk og turbulens 40 35 Ventilator Lufttæt tank 30 Skitse af prøvetanken med vindtunnelen inden i. 25 Tryk 1000 mbar 20 Tryk 100 mbar Tryk 15 mbar nelen. Prøvemængde, tryk, tensiv forskning i dag. Både 15 sammensætningen af atmosfæ- geologer og mikrobiologer ar- % Turbulens 10 ren og vindhastigheden kan va- bejder på flere projekter i den rieres umiddelbart, og det vil forbindelse, da der tilsynela- 5 snart også være muligt at styre dende, er tale om nogle spe- 0 temperaturen. cielle jordbundsprocesser i om- 0123456 Forskerne måler hastigheden rådet ved Salten. Det store jern- Vindhastighed (m/s) af de enkelte partikler i luft- indhold stammer sandsynligvis strømmen ved hjælp af et så- fra geologiske lag, som indehol- Måling af turbulens i vinden vha. laser-doppler-indtrumentet. Der er målt midt i tunnelen på en “støvprøve” ved forskellig tryk og vind- kaldt laser-doppler-anemometer. der mineralet pyrit (FeS2). Jern Instrumentet giver også et mål fra pyrit, der iltes i den øverste hastighed. Større tryk giver mere turbulens. Kilde: Merrison m.fl. for graden af turbulens i luft- del af grundvandszonen, holdes strømmen, hvilket har stor be- tydning for transporten af par- tiklerne. Ved lave vindhastig- heder og lavt tryk er der ikke Vind og vindtransport meget turbulens på trods af, at vindtunnelen ikke er ret stor. (Se også boksen). Der er mulig- hed for at placere forskellige forsøgsobjekter inde i selve vindtunnelen, og via observa- tionsvinduer kan man følge med i forsøgsudviklingen. En jordprøve fra Mars, tak! I sagens natur har forskerne ikke ægte prøver fra Mars at arbejde med endnu, og de har derfor været nødt til at finde noget materiale, som ligner Skitse af et normalt vindprofil, som det kunne se ud på Mars, med laminær Strømning omkring en partikel mest muligt. Man mener, at strømning helt nede ved bunden og turbulent strømning længere oppe. ved laminær strømning, øverst og marsstøvet består af sammen- Omtegnet efter Kaj Sand Jensen. turbulent strømning nederst. satte partikler med en gennem- snitlig størrelse på ca. 1,5 mi- De fleste ved, at strømmende veksling af gas/væske mellem strømning er laminær (dvs. Re er krometer. Den røde farve stam- luft og vand kan flytte partikler. lagene (se figur). Ved turbulent lille) eller turbulent (dvs. Re er mer fra jernoxider, der indehol- Når partikler flyttes af et me- strømning optræder der hvirvler stor). Marsatmosfæren har et der det magnetiske jernmineral dium som f.eks. luft eller en væ- og dermed en betydelig udveks- ekstremt lille Reynoldstal og en maghemit (Fe O ). De magne- ske, er der en række størrelser, ling mellem lagene. Det er mere meget stor dynamisk viskositet. 2 3 som man kan regne på. Des- kompliceret at regne på den tur- Laminær-strømning forekommer tiske egenskaber passer fint på uden er der flere fysiske forhold bulente strømning. ved lavere vindhastigheder på dette stærkt magnetiske jern- og størrelser, som man skal Mars. l Mediets dynamiske viskositet er oxid, hvilket de danske magnet- have styr på, for at kunne regne evnen til at hænge/klæbe sam- l Friktion og dermed ruheden af rigtigt. Det handler om masse- forsøg på Mars Pathfinder var men og modstå deformering. Vis- den faste overflade. fylde, kræfter, friktion og med til at vise i 1997. kositeten beregnes som kraft hastighedsgradienter. l Størrelsen og densiteten af den Det har vist sig, at jord fra gange tid divideret med areal. partikel, som skal flyttes. l Vindhastigheden. Salten i Midtjylland tilsynela- l Afledt af de to første arbejder dende ligner marsstøvet meget. l Er der tale om laminær eller man med det såkaldte Reynolds- Hvis man regner på disse størrel- Den røde, stærkt jernholdige turbulent strømning? Ved tal (Re), som er det dimen- ser, når man f.eks. frem til, at den jord her blev opdaget ved en laminær strømming bevæger sionsløse forhold mellem bevæ- største kuglerunde partikel, som ren tilfældighed af fysikeren de enkelte “strømningslag” i gelseskræfternes inerti og den kan blæses rundt i luften ved Mars- Henrik Loft Nielsen, og dan- mediet sig velordnet afsted dynamiske viskositet. Populært tryk, er 16 µm i diameter ved en oven på hinanden uden ud- sagt, er tallet et index for, om en vindhastighed på 0,45 m/s. nelsesmåden er genstand for in- Aktuel Naturvidenskab | 5 | 2000 6 MARSFORSKNING på opløst Fe2+-form i den redu- Vindtransport, adhæsion cerende del af grundvands- og kohæsion zonen. Hypotesen er, at mikro- Når der er tale om partikler, organismer spiller en væsentlig som flyttes i en atmosfære, er rolle i dannelsesforløbet af det der flere væsentlige fysiske for- kemiske sediment, hvor bakte- hold, som spiller en stor rolle. rier er med til at oxidere jernet. De små partikler op til ca. 2 Resultatet er, at jordprøver fra mikrometer har en tendens til Salten kan bruges som en er- klæbe til alle overflader – man statning for rigtige prøver fra taler om adhæsion. I vind- Mars i forbindelse med simu- tunnelen ses det ved, at det lationsforsøg. Jorden skal dog røde støv sætter sig overalt på behandles på forskellig måde, væggene. Desuden har de en- inden den kan bruges – den bli- kelte små partikler en tendens ver renset, og de større fraktio- til at klumpe sig sammen i Foto: J. Dahlgaard Foto: ner bliver sigtes fra. større aggregater på grund af Her ses en elektrisk udladning under lavt tryk. Ofte opstår der en læn- Til forsøgene anvender man kohæsion – de enkelte molekyler gerevarende lysende sky i stedet for en gnist eller et lyn. Spændingen er også de rene mineraler i pulver- tiltrækker hinanden (som f.eks. kun ca. 400 V; men kan alligevel trække meget lange gnister (25 cm). form dvs. jernoxider såsom en i vanddråbe). Disse egenska- hæmatit (Fe2O3), magnetit ber varier fra stof til stof. (Fe3O4 -– magnetjernsten) og Det har vist sig, at især jor- maghemit. Hæmatit er et meget den fra Salten har en tendens til svagt magnetisk mineral, mens at klumpe sig sammen i større de to andre er stærkt magnetiske. klumper eller aggregater (se Derfor må man forvente, at de foto), hvilket betyder meget for opfører sig forskelligt, og især er forsøgsresultaterne. De store ag- gode til at teste magnetopstil- gregater kan ikke holde sig svæ- linger og andre forsøg med.