火星稀薄而湍急的大气如何导致大小奇特的沙丘

在多山的沙丘和火星沙漠般的表面起伏的小波纹之间，有沙子结构，中等大小，与地球上的任何东西都不一样。

斯坦福大学的科学家现在已经使用AI模型分析了数百万个火星沙丘，并揭示了这些沙质波浪是如何在我们的姊妹星球上以一定规模(波峰之间大约1米)形成的，这在以前似乎与波纹和沙丘如何在地球上产生的物理学不相容地球。

该结果于11月22日发表在NatureCommunications上，表明未来的学者可以使用这些结构的化石版本来重建火星的大气历史。这是因为大气密度与风吹起的涟漪和沙丘的大小之间存在精确且一致的数学关系，除了最小的尺度。

“这特别重要，因为人们认为火星在过去曾经拥有更厚的大气层，可能维持着类似地球的表面条件，”资深研究作者、斯坦福多尔可持续发展学院地质科学助理教授MathieuLapôtre说。.“然而，它失去了大部分，我们真的不知道什么时候、多快、为什么。”

气流的产物，还是微型鱼雷?

在地球和火星上，风吹沙粒堆积成不同形状和大小的土堆，从绵延数英里的沙丘到勉强能藏住一只寄居蟹的小山脊。在地球上，这些较小波纹的波峰通常相隔几英寸。它们在沙漠、海滩和砂岩中很常见，就像古代风的指纹一样保存完好。科学家称它们为“冲击波纹”，因为它们是由风吹起的颗粒像微小的鱼雷一样飞溅到沙丘中而产生的。

2015年，美国宇航局的好奇号探测器传回了火星表面类似图案的图像。除了巨大的沙丘之外，图像还显示了两个不同尺度的较小波浪：一些接近地球上类似大小的颗粒所熟悉的撞击波纹的大小;其他的大约是沙丘的10倍，但仍然比沙丘小，沙丘的形状更多地是由气流而不是沙子的影响形成的。

从那以后，这两种截然不同的涟漪尺度如何在火星上共存和共同进化一直困扰着科学家。根据一种提议的解释，中等大小的结构是由撞击波纹的持续增长造成的，这是由火星上非常低的气压造成的。然而，与连续体的想法相反，科学家们观察到波峰间距在8到30英寸之间，莫名其妙地没有波纹。

这张美国宇航局好奇号火星探测器的自画像展示了车辆位于“纳米布沙丘”，这是沿着夏普山西北侧的黑沙巴格诺德沙丘场的一部分。该场景结合了2016年1月19日拍摄的57张图像。图片来源：NASA/JPL-Caltech/MSSS

Lapôtre和其他科学家认为，这些形状可能是由流体动力学不稳定性造成的，这种不稳定性已知会在沙漠中产生风吹沙丘，并在地球上的沙质河床中产生类似的起伏的土丘。

研究人员还推测，更大的火星波纹和沙丘的大小，以及在我们自己星球上形成的水下波纹，都可以由空气或水流中的相同变化或异常来控制。这种变化只有在土丘长到一定大小后才会出现，它是全球大气特性(如密度)与局部因素(如地形和风切变速度)相互作用的结果。

但直到现在，科学家们只是通过严格控制的实验来假设这种异常现象的存在。在天然沙丘的复杂环境中没有观察到它。

沙丘识别

Lapôtre及其同事与主要作者LiorRubanenko一起着手用火星数据检验这些理论，建立在Lapôtre之前通过统计分析将波纹大小与大气密度联系起来的工作的基础上。这是科学家们第一次使用来自这颗红色星球的真实数据来测试——并且事实证明，证实了——流体动力学理论中的预测，即火星最小沙丘的大小，就像它的涟漪一样，应该在空气更浓。

作者使用了航天器捕获的130,000多张火星高分辨率图像，以及最初开发的基于人工智能的计算机视觉模型，用于从背景中挑选出不同类型物体的不同实例——例如，三个人的轮廓，一个公共汽车和两辆汽车出现在城市街道的照片中。斯坦福团队在一小部分图像中手动标记沙丘，然后使用这些示例来训练模型以检测沙丘轮廓并估计大部分火星表面的沙丘大小。

作者分析了这个庞大的新数据集，以及整个火星大气密度的计算结果。他们发现奇怪的是中等大小的波浪根本不是冲击波纹。相反，火星上独特的结构更像是在某一点停止生长的微型沙丘，因为在靠近火星表面的非常稀薄、湍流的大气中会出现流体状气流的预测异常或变化。

“撞击波纹在火星上的形成与在地球上完全一样，而且大小大致相同，”作为斯坦福地质科学博士后学者参与这项研究的Rubanenko说。“这是有道理的，因为形成冲击波纹的机制与大气的特性关系不大，而与沙子传输的力学关系更大。”

“既然我们知道了这些波纹的大小如何随大气密度而变化以及原因，我们可以利用非常古老的岩石中的化石波纹的大小来重建火星大气层的历史，”Lapôtre说。