Lifting dust and sand into the thin Martian atmosphere is a challenging problem. Atmospheric pressure excursions within dust devils have been proposed to support lifting. We verify this idea in laboratory experiments. Pressure differences up to a few Pa are applied along particle layers of 50 to 400 µm. As samples we used glass beads of ∼50 µm diameter and irregular basalt grains of ∼20 µm in size. The total ambient pressure of air was set to 600 Pa. Particles are ejected at pressure differences as low as 2.0 ± 0.8 Pa. In the case of glass beads, the ejected grains returning to the particle bed can trigger new particle ejections as they reduce cohesion and release the tension from other grains. Therefore, few impacting grains might be sufficient to sustain dust lifting in a dust devil at even lower pressure differences. Particle lift requires a very thin, ∼100 µm, low permeability particle layer on top of supporting ground with larger pore space. Assuming this, our experiments support the idea that pressure excursions in Martian dust devils release grains from the ground.

We developed an experiment to study different aspects of granular matter under microgravity. The 1.5U small experiment was carried out on the International Space Station. About 3500 almost identical spherical glass particles with 856 µm diameter were placed in a container of 50 by 50 mm cross section. Adjusting the height between 5 and 50 mm, the filling factor can be varied. The sample was vibrated with different frequencies and amplitudes. The majority of the data are video images of the particles' motion. Here, we give a first overview of the general setup and a first qualitative account of different phenomena observed in about 700 experiment runs. These phenomena include collisional cooling, collective motion via gas-cluster coupling, and the influence of electrostatic forces on particle-particle interactions.

Розглянуто методи моделювання руху сипкого матеріалу в дозувальному обладнанні безперервної дії. Встановлено, що моделювання пульсацій та розривів у потоці сипкого матеріалу можна здійснити за допомогою методу дискретних елементів. На його основі створена модель системи, що складається з бункера циліндрично-конічної форми та тарілчастого живильника безперервної дії. Частинки сипкого матеріалу представлені у вигляді сфер із постійним радіусом, між яким діють сили тертя та пружності. В результаті моделювання визначено швидкості руху та положення кожної частинки у поперечному перерізі системи «бункер-тарілчастий живильник» та на поверхні тарелі живильника. Визначено зони із характерними швидкостями руху сипкого матеріалу та продуктивність системи. Найбільша швидкість частинок спостерігається у зоні вихідного патрубка бункера, вздовж його центральної вісі та у зовнішньому шарі матеріалу, який знаходиться на поверхні тарелі. Найменші швидкості спостерігаються біля стінок бункера та в центрі тарелі. Встановлено, що у процесі роботи живильника спостерігається збільшення радіусу конусу сипкого матеріалу на 15,2 %, який знаходиться на поверхні тарелі. Експериментальне дослідження системи здійснено із використанням дослідного стенду, що складався з конічно-циліндричного бункера, тарілчастого живильника безперервної дії та системи збору даних. Визначено продуктивність живильника в усталеному режимі роботи. Встановлено, що вона має пульсуючий характер, який співпадає із результатами аналітичних розрахунків на основі розробленої моделі. Висновок про відповідність отриманих результатів зроблено на основі рівності дисперсій продуктивності, яку перевірено за допомогою критерію Фішера. Отримана модель може бути застосована для аналізу усталеного режиму роботи тарілчастих живильників безперервної дії у випадку, якщо сипкий матеріал надходить в центр тарелі Ключові слова: циліндрично-конічний бункер, тарілчастий живильник, сипкий матеріал, метод дискретних елементів, взаємодія частинок UDC 621:004.94

No abstract

At low ambient pressure, temperature gradients in porous soil lead to a gas flow called thermal creep. In this regard, Mars is unique as the conditions for thermal creep to occur in natural soil only exist on this planet in the solar system. Known as a Knudsen compressor, thermal creep induces pressure variations. In the case of Mars, there might be a pressure maximum below the very top dust particle layers of the soil, which would support particle lift and might decrease threshold wind velocities necessary to trigger saltation or reduce angles of repose on certain slopes. In laboratory experiments, we applied diffusing wave spectroscopy (DWS) to trace minute motions of grains on the nanometer scale in an illuminated simulated soil. This way, DWS visualizes pressure variations. We observe a minimum of motion, which we attribute to the pressure maximum ∼2 mm below the surface. The motion above but especially below that depth characteristically depends on the ambient pressure with a peak at an ambient pressure of about 3 mbar for our sample. This is consistent with earlier work on the ejection of particle layers and is in agreement with a thermal creep origin. It underlines the supporting nature of thermal creep for particle lift, which might be especially important on Mars.