Cómo identificar gotas de lluvia fosilizadas en este y otros mundos.

Si dos gotas de lluvia golpean arena seca a diferentes velocidades, ¿cuál dejaría una marca menos profunda? Reflexiona un momento antes de seguir leyendo.

La intuición indica que sería la gota que se mueve a mayor velocidad la que marcaría más la capa de arena. Sin embargo no son las gotas más lentas las que menos marcan, sino las gotas a velocidades medias, según un estudio realizado por Hiroaki Katsuragi, de la Universidad Kyushu (Japón) y publicado en Physical Review Letters.

Katsuragi dejó caer gotas de agua desde diferentes alturas sobre una capa de material granular seco. A partir de aquí fue capaz de encontrar una fórmula para el radio del cráter de impacto de la gota basándose en la densidad del material granular, que podrá ser muy útil a los investigadores que intentan interpretar los posibles signos de agua fósil tanto en la Tierra como en otros miembros del Sistema Solar.

Muchos investigadores han estudiado objetos rígidos impactando sobre una capa blanda de granos, imaginemos una bola de golf cayendo en una trampa de arena. Estos estudios han reproducido la clase de cráteres que se ven en las distintas lunas del Sistema Solar. Mucho menos se sabe de lo que ocurre cuando la pelota de golf se sustituye por una gota de agua, que es capaz de cambiar de forma durante el impacto. Ya en 1850 los geólogos habían identificado depresiones con forma de hoyo en arena fina que podrían ser gotas de lluvia fosilizadas. Para estar seguros de que lo son estas depresiones es necesario una mejor comprensión de cómo las gotas de agua forman cráteres de impacto.

Para caracterizar los impactos de las gotas líquidas, Katsuragi hizo gotear agua en pequeños recipientes que contenían granos de carburo de silicio, un material abrasivo. Katsuragi varió tanto la altura como el tamaño de los granos, de 4 micras a 50. Cada gota tenía aproximadamente 4,8 milímetros de diámetro y se la dejaba caer desde una altura de entre 10 a 480 milímetros.

Con esto Katsuragi obtuvo toda una colección de formas de cráter, dependiendo de la velocidad del impacto y del tamaño de los granos, de los que pudo medir con precisión usando un láser tanto radios como profundidades. A velocidades bajas y pequeños tamaños de grano, las gotas formaban lo que él llama un “cráter de hundimiento”. Éstos se forman cuando una gota permanece intacta en el momento del impacto y comprime lentamente la capa de granos “sueltos” que está debajo de ella conforme el líquido penetra entre los granos, dejando una depresión de 1,5 mm de profundidad. A velocidades medias, la gota comprime los granos que tiene debajo en el momento del impacto, por lo que no pueden comprimirse más durante el proceso de penetración del agua. Estos cráteres de media velocidad eran menos profundos que los de hundimiento. Las gotas de mayor velocidad cayendo sobre los granos más pequeños eran las que dejaban los cráteres más profundos, de alrededor de 2 milímetros.

Cuanto mayor era el tamaño de los granos, los cráteres eran menos profundos, y las gotas a alta velocidad dejaban picos en medio de los cráteres en vez de valles. Ello se debe, según Katsuragi, a que la gota recoge granos de un área amplia durante el impacto inicial y su expansión, pero después los deposita en el centro cuando la gota se une y comienza a penetrar.

Para saber qué controla el tamaño de un cráter, Katsuragi derivó una fórmula para ajustar sus datos experimentales. Encontró que el radio de un cráter es más o menos proporcional a dos cantidades. La primera es la proporción entre la densidad del grano y la del agua. Si la capa granular es mucho más densa que el agua, la gota se deforma mucho en el impacto y, por tanto, hace un cráter mayor que en los granos de menor densidad. La segunda cantidad es una constante llamada número de Weber, que cuantifica la influencia de la tensión superficial, las gotas mayores o que se mueven más rápidamente tienen números de Weber mayores y es más probable que se rompan durante el impacto.

Se deduce de lo anterior que la deformación de la gota es crucial para entender la morfología del cráter. Con esta herramienta, que todavía debe refinarse y ampliarse a distintos sustratos y condiciones de caída, se puede intentar deducir en qué condiciones se produjeron algunos cráteres que hasta hoy no tienen una explicación satisfactoria o establecer la presencia de lluvia fósil en un territorio que en su día fue arenoso, ya sea en la Tierra o en cualquier otro mundo.

[Esta es la participación de Experientia docet en el VIII Carnaval de la Física, que este mes acoge Pirulo cósmico.]

Referencia:

Katsuragi, H. (2010). Morphology Scaling of Drop Impact onto a Granular Layer Physical Review Letters, 104 (21) DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.218001