Física de Medios Granulares con aplicación a procesos de impacto en asteroides y cometas

1. Física de Medios Granulares con aplicación a procesos de impacto en asteroides y cometas G.Tancredi,A. Maciel, I. Elgue S.Bruzzone, S.Roland Depto. Astronomía, Fac. Ciencias Observatorio Astronómico Los Molinos PEDECIBA-Física • Sergio Nesmachnow • Centro de Cálculo – CECAL • Fac. Ingeniería • Estudiantes de final de carrera de • Ing. de Sistemas: • Pablo Richeri y Laura Heredia

2. ¿Cómo explicar estas observaciones? Itokawa Grandes rocas en la superfice, especialmente en los extremos Objetos del Cinturón Principal de Asteroides que muestran colas y comas de apariencia cometaria denominados “Main-Belt Comets”

3. Modelos de estructura de Asteroides Sólido con grandes fracturas internas Pila de escombros cubierta por polvo Sólido con cráteres superficiales Aglomerado de pequeñas rocas

4. Material granular puede presentar fluidización que asemeja el comportamiento de fluidos: flujo de granos a través de caños. Puede comportarse como sólido: pila de arena Física de Medios Granulares Materiales Granulares revelan diferentes comportamientos en circunstancias diferentes:

5. Efecto nueces de Brazil Kudrolli (2004) Fenómeno muy conocido en la Física de los Medios Granulares

6. Medios granularesTransferencia de momento lineal Objetos sólidosPropagación de ondas sísmicas P y S Newton Cradle Mecedora de Newton

7. Discrete Element Methods (DEM) Molecular Dynamics (MD) • La simulación numérica de la evolución de materiales granulares ha sido modelado recientemente con Discrete Element Method (DEM). • DEM es una familia de métodos numéricos para calcular el movimiento de grandes números de partículas como moléculas o granos sometidos a leyes físicas dadas. • Molecular Dynamics (MD), es un caso particular de DEM, cuando las partículas son moléculas esféricas. • Método multidisciplinario basado en la mecánica estadística. • Comparable a un “experimento virtual” (interfase entre la teoría y los experimentos de laboratorio).

8. Limitaciones en simulaciones DEM Costo Computacional: • Número de partículas (N>104-105) “Cuello de botella” del método: Cálculo de la fuerza de inetreacción entre las partículas en cada paso de integración. • Aproximación simple: N(N-1)/2 operaciones por paso de integración. • Pero si las partículas son esferas iguales. Cada partícula interactúa con, como máximo, 6. El número de operaciones debería ser del orden de 3N • Paso de integración debe ser: t << duración de las colisiones (típicamente 1/10-1/20 de la duración de las colisiones) • Basado en la Teoría de contacto elástica de Hertz, la duración de las colisiones es   v-1/5 • Típicamente  ~ 10-5 seg t~10-6 seg !!

9. ESyS-Particlehttps://launchpad.net/esys-particle Initiated by Earth Systems Science Computational Centre (ESSCC), University of Queensland (Brisbane, Australia) ESyS-Particle is an implementation of the Discrete Element Method which is • Open Source • Freely available • Can be modified & extended • A user community is starting to emerge • Fully Parallellized • Distributed memory parallelisation using MPI • runs on commodity hardware from Desktop PC to large clusters (under Linux) • Good scaling to large number of CPUs/Cores • As long as the problem size is scaled with the number of Cores, scaling is close to linear • Very large models possible • 1-2Million particles routinely in application • 10M+ particles in tests

10. La segregación por tamañoEl caso de Itokawa

12. Sacudidas globales pueden producir, para el caso de Itokawa,un BNE en el cuerpo entero. Efecto Nueces de Brasil (BNE) en asteroides Fue propuesto por Ausphaug et al. (2001) para explicar la segregación del regolito en Eros; los movimientos estaban determinados por las pendientes de la gravedad superficial.

13. Simulando repetidos sismos • Caja 3D con ~6000 partículas pequeñas y una grande. • Los parámetros físicos y elásticos son típicos de rocas. La caja esta sometida a una gravedad superficial dada. • El piso se desplazan verticalmente de acuerdo a una función tipo escalera de la forma: • El proceso se repite cada una cierta cantidad de segundos que dependen del tiempo de asentamiento según la gravedad del lugar. • Las simulaciones típicamente llevan 1 día de tiempo de CPU para 100seg en PC 2.4GHz 8Gb RAM.`

14. Tierra g=9.8 m/s2 Vel=5m/s Tiempo de desplazamiento= 0.1 s Tiempo entre sismos= 2s

15. Eros Tiempo de desplazamiento= 0.5 s Tiempo entre sismos= 15s g=6.1x10-3 m/s2 Vel=0.01m/s

16. Itokawa Tiempo de desplazamiento= 0.1 s Tiempo entre sismos= 60s g=9.1x10-5 m/s2 Vel=0.02m/s

17. Asteroides: Rocosos Cometas: hielo + polvo Asteroides versus CometasDistinción física

18. 133P/(7968) Elst-Pizarro a=3.16 AU; e=0.17; i=1.39° Hsieh et al. (2004)

19. P/2010 A2

20. Asteroides versus CometasDistinción dinámica Asteroides en Órbitas Cometarias o Main Belt Comets 6 Objetos: 3 Themis 1 Flora 5 con inc<3º 3 con q<2 UA

21. Alternativas: Nube generada por el material eyectado al formarse un cráter de impacto – Problema: El material se dispersa rápidamente Sublimación de hielos en superficie – Problema: como mantener el hielo al cabo de miles de millones de años. Impacto dejó expuesta una región debajo de la superficie con hielos. Problema: Es estable el hielo sub-superficial al al cabo de miles de millones de años. Producción de nubes de polvo a baja velocidad relativa como producto de la aceleración inducida por un sismo generado a partir de una colisión. ¿Cómo se produce esa actividad?

22. Otros procesos de interés en Medios Granulares • El “Efecto Cocoa o Harina”

23. Laboratorio de Geofísica Planetaria Caja Que Cae –CQC : Generación de nubes de polvo como producto de sismos Caja de acrílico en cuyo interior se colocan los granos. Se hace vacío hasta ~1/10 atm. La caja se hace caer de una altura de 30cm, e impacta en el piso a una vel. de 2.4 m/s. Se filma con cámaras de alta velocidad.

24. Arena Fina Arena Gruesa Talco 10-100m 100-500m 500-1000m Experiencias con 3 tipos de granos Para el talco, las partículas son eyectadas desde la superficie a velocidades hasta de 2m/s. La velocidad de eyección depende del tamaño de las partículas.

25. Simulaciones de sacudidas Diámetro asteroide 500m ~90.000 partículas de 2.5-12.5 m Sin autogravedad Proyectil 10m Vel. de impacto 5 km/s

26. Diámetro 500m ~90.000 partículas de 2.5-12.5 m Proyectil 10m Vel. de impacto 5 km/s

27. Eyección de particulas Diámetro 500m Proyectil 10m Vel. de impacto 5 km/s v escape = 0.26 m/s

28. Diámetro 2000m ~90.000 partículas 10-50m v escape = 1m/s Proyectil 40m Vel. de impacto 5 km/s

29. Eyección de particulas Diámetro 2000m Proyectil 40m Vel. de impacto 5 km/s v escape = 1 m/s

30. Planes futuros • Implementar simulaciones con: • Atracción gravitacional mutua entre las partículas • Se requiere gran capacidad computacional

31. Otras aplicaciones • Reacomodamiento de hielos y rocas en el interior de un cometa sometido a impactos o explosiones internas – Caso 9P/Tempel 1 y actividad en extremos del objeto • Weathering de superficies • Formación de planetesimales • Deflexión de un asteroide en trayectoria de impacto • Pasaje de un asteroide aglomerado a través de la atmósfera – Caso Bajada del Diablo