¿Sueñan las tormentas de polvo de Marte con fenómenos eléctricos?

• Autor: Jassir Salas
• Institución: Departamento de Física, Universidad del Atlántico, Colombia

Jassir Salas es un estudiante de pregrado del programa de física de la Universidad de Atlántico. Realizó su investigación acerca de fenómenos eléctricos en tormentas de polvo marcianas, como parte del RECA Program Internship 2021 y bajo la supervisión del Dr. Leonardos Gkouvelis del NASA’s Ames Research Center. Los principales resultados de esta investigación se presentaron en el Simposio RECA Internship 2021.

Marte, el cuarto planeta del sistema solar, es un cuerpo prácticamente desértico que constantemente se enfrenta a cambios drásticos en las condiciones atmosféricas, como por ejemplo: diferencias de temperaturas en un día de 70°C. Estas condiciones meteorológicas sumado a la excentricidad de la órbita del planeta dan lugar a lo que se conoce como el ciclo global de polvo, creando tormentas locales y/o globales más comunes de lo que creemos.

Debido a su baja presión y densidad atmosférica, sumado a su reducida aceleración gravitacional,~1/3 de la gravedad terrestre, las tormentas de polvo pueden elevarse por varios kilómetros, extenderse por todo el planeta y durar largos periodos de tiempo.

Dadas las condiciones atmosféricas y tormentas de polvo, la pregunta que nos hicimos en este proyecto de investigación fue ¿es posible la generación de fenómenos eléctricos en estas tormentas de polvo debido a la colisión y rozamiento de los granos de polvo dentro de las tormentas marcianas? 

Con la resolución de esta pregunta esperamos obtener información que nos permita establecer zonas seguras que nos ayuden a reducir los peligros para las próximas misiones marcianas, por ejemplo, Rovers o Landers.

Para dar respuesta a la pregunta que encierra este proyecto, es necesario tener información acerca de la atmósfera marciana, es decir, información acerca de los granos de polvo que conforman la tormenta, los vientos que transportan dichos granos, las presiones y densidades atmosféricas, etc.

El modelo computacional Ames Mars Global Climate Model (MGCM) de la NASA, simula la evolución temporal de la atmósfera y climatología del planeta rojo. Los resultados de estas simulaciones atmosféricas fueron las bases para iniciar nuestra ruta en la resolución de la pregunta del proyecto; estos incluían toda la información necesaria (masa y número de granos de polvo, velocidad de vientos, densidades y presiones atmosféricas, altura, etc.) para comenzar a modelar las tormentas de polvo. Los datos utilizados fueron la versión LEGACY del MGCM.

El fenómeno eléctrico que decidimos estudiar fue el crecimiento del campo eléctrico dentro de las tormentas de polvo, y para esto modelamos dicho campo eléctrico con una ecuación diferencial de segundo orden, la cual fue resuelta de forma numérica, con condiciones iniciales E=0 y E’=0.

Para resolver la ecuación diferencial del campo eléctrico fue necesario encontrar la densidad de partículas de polvo por volumen, la velocidad de las partículas de polvo y el intercambio de carga eléctrica de estas mismas. Se esperaba que el intercambio de carga dependiera de la composición de las partículas por lo tanto para este parámetro se tuvieron en cuenta dos tipos: partículas de igual composición y de diferente composición. Este último caso dependiendo del potencial eléctrico (en Voltios, V) de los materiales que conformaban el polvo. Para este proyecto se escogió un valor de 2 V, asumiendo que el polvo se encontraba conformado por una mezcla de partículas de composición metálica (hierro) y de composición aislante (silica).

El procedimiento que se siguió fue el siguiente: dividir el planeta en una grilla cuadriculada (latitud y longitud del planeta) con cierta altura Z sobre el nivel del suelo, es decir, bloques cuadriculados. Cada bloque poseía información atmosférica y de las partículas de polvo de esa zona, permitiendo que la tarea de calcular el crecimiento del campo eléctrico fuese más sencilla. La grilla se dividió en 2100 zonas y 15 alturas diferentes, en el rango de 500 m hasta 10000 m.

Figura 1. Crecimiento del campo eléctrico en Latitud: -5°, Longitud: 6° a una altura de Z = 1000 m. Las lineas muestran la evolucion del campo electrico para atmosfreas con igual composicion de particulas de polvo (linea azul) o diferente composicion (linea anaranjada)

En cada bloque fue calculado la densidad, la velocidad y el intercambio de cargas de las partículas de polvo, de esta forma encontramos que para latitudes al sur del planeta, el crecimiento del campo eléctrico en tormentas de polvo alcanza una magnitud de 10³ V/m en un periodo de tiempo de 1 día, mientras que para latitudes al norte del planeta la máxima magnitud alcanzada fue de 10² V/m. En la Figura 1. se muestra el crecimiento del campo eléctrico en zonas centrales del planeta a una altura de 1000 m, donde se obtuvo un valor máximo de 2.8×10² V/m y 1.7×10² V/m para partículas de polvo de igual composición y diferente composición respectivamente en t=1.0 día.

Finalmente se mapeó la magnitud del campo eléctrico sobre toda la superficie marciana y se observó cómo esta cambia con la altura, como se puede apreciar en la Figura 2. Nos percatamos que a medida que aumentamos en altura, la intensidad del campo eléctrico disminuye debido a que la cantidad de polvo también disminuye, pero existe una gran intensidad del campo eléctrico en la zona de Hellas Planitia (Zona sureste de Marte) donde existe una gran acumulación de polvo.

Figura 2. Variación del campo eléctrico con la altura en t = 1.0 días. Se observa una gran intensidad en la zona de Hellas Planitia, donde existe una gran acumulación de polvo.

Finalmente, es de importancia notar que gracias al análisis realizado en este proyecto se pudo evidenciar que la generación de campo eléctrico en las tormentas marcianas es bastante común, y que las mismas pueden generarse en gran parte del planeta si las condiciones atmosféricas son las indicadas. Es necesario evitar zonas con grandes vientos y gran cantidad de polvo, ya que en estos lugares es donde la intensidad del campo eléctrico alcanza grandes valores pudiendo afectar a equipos de investigación o posible exploración humana.

Este articulo hace parte de una serie de entradas que muestran los resultados del los proyectos de investigacion realizados en el programa se pasantias de la red Colombiana de estudiantes en astronomia (RECA). Este programa se llevo acabo entre Mayo y Agosto del 2021