“Chúng ta gặp lở đất mọi nơi trong Hệ Mặt Trời,” theo phát biểu của Kelsi Singer, sinh viên cao học về Trái Đất và khoa học hành tinh, khoa Nghệ thuật & Khoa học tại Đại học Washington, St.Louis, “nhưng vệ tinh lạnh giá Iapetus của Sao Thổ có nhiều vụ lở đất khổng lồ hơn bất kì thiên thể nào khác, trừ Sao Hỏa.”
Theo thạc sĩ William McKinnon, giáo sư giảng dạy về Trái Đất và khoa học hành tinh, lí do là vì địa hình đặc biệt của Iapetus. “Vệ tinh này không chỉ không tròn đều, mà các bồn va chạm khổng lồ của nó cũng rất sâu, và còn có cả rặng núi cao 20km (12 dặm), cao hơn nhiều so với dãy Everest. “Vậy nên có rất nhiều dạng địa hình ở đây và ở các dạng địa hình cao, vật chất nằm yên nhưng thỉnh thoảng, chúng rơi xuống.”
Rơi từ độ cao lớn như vậy, băng đạt tốc độ rất lớn – và sau đó một điều kì lạ xảy ra. Bằng cách nào đó, hệ sộ ma sát của nó giảm, và nó bắt đầu chảy thay vì rơi, đi nhiều dặm trước khi nó tiêu thụ hết năng lượng của cú ngã và cuối cùng dừng lại.
Trong số ngày 29/7 của Nature Geoscience, Singer, McKinnon và các đồng nghiệp Paul N.Schenk của Học viên Mặt Trằng và Hành tinh, cùng Jeffrey M. Moore của Trung tâm nghiên cứu Ames NASA, đã mô tả lại các vụ lở đá lớn này.
Họ thách thức các nhà vật lý thực nghiệm đo lực ma sát khi đá đang trượt xuống, và gợi ý một cách thức có thể khiến băng và đá trơn, không chỉ trong các vụ sạt lở, mà cả trong các trận động đất các vụ chấn động lớn của các vệ tinh lạnh giá.
Quá nhiều giả thiết
Các vụ lở băng trên Iapetus không chỉ lớn, chúng còn lớn hơn bình thường nhiều, dựa trên các lực mà các nhà khoa học nghĩ đã khiến chúng chuyển động và dừng lại.
Bản sao của các vụ lở băng trên Iapetus ở Trái Đất là các vụ lở đá lớn, hay sturzstrom (tiếng Pháp cho “dòng chảy xuống”_. Hầu hết các vụ lở đi một khoảng cách ngang nhỏ hơn hai lần khoảng cách các tảng đá đã rơi.
Tuy nhiên, trong một vài dịp hiếm hoi, một vụ lở đất sẽ đi 20 hay 30 lần xa hơn khoảng cách nó rơi, di chuyển một quãng đường dài theo chiều ngang hay thậm chí lăn ngược lên cao. Những vụ lở đất cực kì linh động này có tính chất tràn giống như chất lỏng hơn là tính lăn của đá, đã khiến các nhà khoa học tò mò từ lâu.
Cách thức của một sự lăn bình thường khá đơn giản. Các mảnh vụn đi ra ngoài cho đến khi lực ma sát bên trong khối lượng mảnh vỡ và với mặt đất tiêu thụ hết lượng năng lượng hòn đá tích lũy được trong quá trình rơi, và khối đá dừng lại.
Nhưng để giải thích các sự lăn cực kì dài, một vài cách thức khác phải được đưa ra. Một thứ gì đó đang phải hoạt động để giảm lực ma sát trong sự lăn, theo Singer.
Vấn đề là, không có sự đồng ý chung nào về việc thứ này là gì. Các đề xuất gồm có một cái đệm không khí, sự bôi trơn bởi nước hay bột đá hay một lớp mỏng bị tan chảy. “Có nhiều cách thức được đưa ra về sự giảm ma sát hơn lượng tôi có thể cho vào một slide Powerpoint,” McKinnon đùa.
“Các vụ lở đất ở Iapetus là một thí nghiệm ở quy mô hành tinh mà chúng ta không thể tiến hành trong phòng thí nghiệm hay quan sát trên Trái Đất,” Singer nói. “Chúng cung cấp cho chúng ta ví dụ về các vụ lở lớn bằng băng, thay vì đá, với trọng lực khác hẳn, và không tồn tại bầu khí quyển. Vậy nên bất cứ giả thuyết nào về các sự lăn dài trong các vụ lở đất ở Trái Đất cũng phải ứng dụng được cho các vụ lở băng trên Iapetus.
Một thí nghiệm tình cờ
McKinnon, với những nghiên cứu tập trung vào các vệ tinh băng giá của các hành tinh phía ngoài Hệ Mặt Trời, đã nghiên cứu Iapetus từ khi vệ tinh Cassini bay qua nó vào 12/2004 và 9/2007 và mang về Trái Đất rất nhiều tấm ảnh của vệ tinh băng này.
Hầu như tất cả mọi thứ về Iapetus đều kì lạ. Nó nên mang hình cầu, nhưng nó lại to hơn ở xích đạo hơn là ở cực, có thể vì nó đã đóng băng trong khi tốc độ quay của nó nhanh hơn hiện tại. Và nó có một rặng núi cực kì cao và thẳng với nguồn gốc bí ẩn mà bao phủ phần lớn xích đạo của nó. Vì sự phình to và rặng núi khổng lồ, vệ tinh này trông như một quả óc chó khổng lồ.
Nếu bề mặt Iapetus bị đông cứng trước khi nó quay đủ mạnh để tạo thành một hình cầu, vậy thì phải có những áp lực trên bề mặt của nó, McKinnon suy luận. Vậy nên ông đề nghị Singer kiểm tra các tấm hình từ Cassini cho các sự đứt gãy do áp lực trên băng.
Cô đã kiểm tra rất cẩn thận từng tấm hình Cassini và không tìm ra nhiều bằng chứng về việc đứt gãy. Thay vào đó, cô liên tục tìm thấy các vụ lở lớn.
Singer cuối cùng đã xác định được 30 vụ lở băng khổng lồ trong các tấm hình Cassini – 17 đã lao thẳng xuống các hố tường và 13 đã cuốn xuống băng của rặng núi xích đạo.
Các số liệu đo đạc cẩn thận của độ cao băng rơi xuống và các sự lăn của vụ lở không phù hợp với các giả thuyết phổ biến nhất về các tính linh động của các sự lăn của vụ lở đất.
Các nhà khoa học nói các dữ liệu này cũng không hề phủ định chúng. “Chúng ta không có các phạm vi đo đạc cho các vụ lở trên Iapetus giống như cho các vụ lở đất trên Trái Đất và Sao Hỏa,” Singer giải thích.
Tuy nhiên, nó lại rất rõ ràng là hệ số ma sát của các vụ lở (như được đo bởi tỉ lệ giữa độ cao rơi và khoảng cách lăn) lại không phù hợp với hệ số ma sát của băng cực lạnh được đo trong phòng thí nghiệm.
Các hệ số ma sát biến thiên từ gần 0 đến lớn hơn 1. Các đo đạc phòng thí nghiệm của hệ số này nằm giữa 0,55 và 0,7
“Các mảnh vụn đá cực lạnh cũng mang tính ma sát giống như cát ở bãi biển,” McKinnon nói.
Hệ số ma sát của các vụ lở Iapetus lại ở giữa khoảng 0,1 và 0,3. Có một sự mâu thuẫn ở đây.
Một giả thuyết có thể được kiểm chứng
Trong một thí nghiệm điển hình để đo hệ số ma sát của băng, các tảng băng hình trụ được quay tròn và lực chống lại sự quay được đo lại. Nếu tảng băng di chuyển chậm, tính ma sát của nó rất lớn. Nhưng nếu nó đang di chuyển nhanh hơn, lực ma sát có thể sẽ thấp hơn.
Liệu chuyển động nhanh có khiến cả các tảng băng cực lạnh trở thành trơn? Đây là một giả thiết có thể được kiểm chứng, các nhà khoa học chỉ ra, và một giả thiết họ hi vọng các nhà vật lý thực nghiệm sẽ sớm thử.
Lực ma sát rất quan trọng
Nếu băng trở nên kém ma sát khi có vận tốc di chuyển, vậy đá thì sao? “Nếu bạn có một chuyển động nhanh, kể cả đó là một vụ lở hay là sự trượt dọc theo một phay, điều tương tự cũng có thể xảy ra,” Singer nói.
Các nhà địa chất nay đã nhận ra các phay lớn đã yếu dần qua các vụ động đất hơn là các số liệu phòng thí nghiệm về hệ số ma sát của đá đem lại, Singer phát biểu.
Nhưng trong trường hợp này, các thí nghiệm vận tốc lớn đã được thực hiện. Ở tốc độ trượt chậm, hệ số ma sát của đá ở vào khoảng 0,6 đến 0,85. Nhưng khi các hòn đá lăn đủ nhanh, hệ số ma sát là gần 0,2. Đây là ở cùng khoảng với hệ số ma sát của các vụ lở băng trên Iapetus.
Không ai chắc chắn điều gì bôi trơn các phay khi chúng được đưa vào hoạt động bởi một vụ động đất, nhưng một trong những giả thuyết đơn giản nhất là sự nung tạm thời. Ý tưởng là khi các hòn đá lăn qua nhau, asperites (các tiếp xúc điểm nhỏ) trên bề mặt của chúng bị nung nóng bởi lực ma sát.
Trên một vận tốc cố định, lượng nhiệt này sẽ không có thời gian để thoát khỏi các tiếp xúc điểm này, và chúng sẽ được tạm thời nung nóng tới nhiệt độ đủ cao để làm yếu dần hay thậm chí làn tay chảy tảng đá. Sự làm yếu dần này có thể giải thích tỉ lệ trượt cao và các tính chất trượt khoảng cách lớn trong các vụ động đất.
Giả thuyết về sự nung tạm thời cũng được ủng hộ bởi sự khám phá các tảng đá có vẻ đã trải qua sự nung ma sát, thường được gọi là frictionites, hay pseudotachylites dọc theo các phay và được liên hệ với nhiều vụ lở đá, Singer nói.
“Bạn có thể nghĩ lực ma sát không hề quan trọng,” McKinnon nói, “nhưng điều ngược lại mới là chính xác. Và điều này áp dụng cả cho lực ma sát giữa các tảng băng và lực ma sát giữa các tảng đá. Điều này rất quan trọng không chỉ cho các vụ sạt lở, mà còn cho cả các vụ động đất và cả sự ổn định của một vùng đất. Và đó là lí do tại sao các quan sát về một vệ tinh băng này thật thú vị và tò mò.
Quỳnh Chi (VACA)
Theo Science Daily
