|
Как атмосфера Марса создает дюны
|
|
|
|
Среди гористых дюн и мелкой волнистой ряби поверхности Марса, похожей на пустыню, есть песчаные структуры среднего размера, не совсем похожие ни на что на Земле. Ученые Стэнфордского университета использовали модель искусственного интеллекта для анализа миллионов марсианских дюн и выяснения того, как эти песчаные волны формируются на нашей родственной планете в масштабе — примерно 1 метр между гребнями — что ранее казалось несовместимым с физикой образования ряби и дюн на поверхности Земли. Земля. Результаты, опубликованные 22 ноября в Nature Communications, предполагают, что ученые в будущем могут использовать окаменелые версии этих структур для реконструкции истории атмосферы Марса. Это потому, что существует точное и последовательное математическое соотношение между плотностью атмосферы и размером ряби и дюн, развеваемых ветром, во всех масштабах, кроме самых мелких.
|
|
|
|
«Это особенно важно, потому что считается, что в прошлом у Марса была более плотная атмосфера, что, возможно, поддерживало земные условия на поверхности», — сказал старший автор исследования Матье Лапотр, доцент геологических наук в Стэнфордской школе устойчивого развития Дёрра. «Однако он потерял большую часть этого, и мы действительно не знаем, когда, как быстро и почему». И на Земле, и на Марсе переносимые ветром песчинки накапливаются в насыпи разных форм и размеров, начиная от дюн, которые простираются на многие мили, и заканчивая крошечными гребнями, достаточно высокими, чтобы спрятать краба-отшельника. На Земле гребни этих более мелких рябей обычно располагаются на расстоянии нескольких дюймов друг от друга. Они распространены в пустынях, на пляжах и в песчаниках, сохранившись как отпечатки пальцев древних ветров. Ученые называют их «ударной рябью», потому что они возникают из-за того, что переносимые ветром песчинки разбиваются о песчаные насыпи, как крошечные торпеды.
|
|
|
В 2015 году марсоход НАСА Curiosity передал изображения подобных узоров на поверхности Марса. В дополнение к гигантским дюнам изображения показали более мелкие волны в двух различных масштабах: некоторые из них были близки к размеру ударной ряби, характерной для зерен аналогичного размера на Земле; другие были примерно в 10 раз больше, но все же меньше, чем дюны, которые сформированы скорее воздушным потоком, чем ударами песка. С тех пор ученые озадачены тем, как эти две разные шкалы ряби сосуществовали и развивались вместе на Марсе. Согласно одному предложенному объяснению, структуры среднего размера являются результатом непрерывного роста ударной ряби, вызванной очень низким давлением воздуха на Марсе. Однако, вопреки идее континуума, ученые наблюдали необъяснимое отсутствие ряби с гребнями, расположенными на расстоянии от 8 до 30 дюймов друг от друга.
|
|
|
|
Лапотр и другие ученые предположили, что эти формы могут быть результатом гидродинамической нестабильности, которая, как уже известно, приводит к образованию продуваемых ветром дюн в пустынях и подобных волнистых насыпей в песчаных руслах рек на Земле. Исследователи также предположили, что размер более крупной марсианской ряби и дюн, а также ряби, образующейся под водой на нашей собственной планете, может контролироваться одним и тем же сдвигом или аномалией в потоке воздуха или воды. Этот сдвиг, который возникает только после того, как насыпи превысят определенный размер, будет результатом взаимодействия глобальных атмосферных свойств, таких как плотность, и местных факторов, таких как топография и скорость сдвига ветра. Но до сих пор ученые только выдвигали гипотезы о существовании аномалии на основе строго контролируемых экспериментов. В сложной среде естественных дюн такого не наблюдалось.
|
|
|
|
Вместе с ведущим автором Лиором Рубаненко Лапотр и его коллеги решили проверить эти теории с помощью данных с Марса, опираясь на предыдущую работу Лапотра, связывающую размер ряби с плотностью атмосферы с помощью статистического анализа. Это первый случай, когда ученые использовали реальные данные с красной планеты, чтобы проверить — и, как оказалось, подтвердить — предсказание гидродинамической теории о том, что размер самых маленьких дюн Марса, как и его рябь, должен уменьшаться там, где воздух гуще. Авторы использовали более 130 000 изображений Марса в высоком разрешении, сделанных космическими аппаратами, и модель компьютерного зрения на основе искусственного интеллекта, впервые разработанную для выделения отдельных экземпляров различных типов объектов на фоне — например, очертания трех человек, автобус и две машины присутствуют на фото городской улицы. Стэнфордская команда вручную пометила дюны на небольшом наборе изображений, а затем использовала эти примеры для обучения модели обнаружению контуров дюн и оценке размеров дюн на большей части марсианской поверхности.
|
|
|
|
Авторы проанализировали этот обширный новый набор данных, а также рассчитали плотность атмосферы на Марсе. Они обнаружили, что волны на удивление среднего размера вовсе не являются ударной рябью. Вместо этого отчетливые структуры на Марсе больше похожи на миниатюрные дюны, которые перестают расти в определенной точке, потому что предсказанная аномалия или сдвиг жидкообразного потока воздуха возникает в очень разреженной турбулентной атмосфере вблизи поверхности Марса. «Ударная рябь образуется на Марсе точно так же, как и на Земле, и имеет более или менее одинаковый размер», — сказал Рубаненко, который работал над исследованием в качестве доктора геологических наук в Стэнфорде. «Это имеет смысл, поскольку механизм, который формирует ударную рябь, имеет меньше общего со свойствами атмосферы и больше с механикой переноса песка». «Теперь, когда мы знаем, как размер этой ряби зависит от плотности атмосферы и почему, мы можем использовать размер окаменевшей ряби в очень старых породах, чтобы реконструировать историю атмосферы Марса», — сказал Лапотр.
|
|
|
|
Источник
|
