11 دقیقه
پژوهشگران در آزمایشگاه یک معمای مریخی را بازسازی کرده‌اند: تکه‌هایی از دی‌اکسیدکربن جامد که به‌ظاهر در میان شن فرو می‌روند و شیارهای باریک و منظم روی شیب تپهها حک می‌کنند. این ساختارهای زمین‌شناختی چشمگیر—که پیشتر گاهی به‌عنوان نشانه‌هایی از فعالیت زیستی تعبیر شده بودند—میتوانند در شرایط مریخ با سوبلیمیشن سریع و انفجارهای گازی تولید شوند. نتایج این تحقیق به درک عمیق‌تر فرایندهای سطحی مریخ، از جمله تأثیر فازهای CO2 و فشار پایین جو در شکلگیری شیارها و دینامیک رسوب اشاره دارد.
When Frozen Carbon Dioxide Becomes a Geological Sculptor
در زمین، شیارها و دره‌های کوچک اغلب با جریان آب یا فعالیت زیست‌مولکول‌ها مرتبط دانسته میشوند؛ اما در مریخ بازیگری متفاوت نقش‌آفرینی میکند: یخ فصلی دی‌اکسیدکربن (CO2). در آزمایش‌هایی به سرپرستی دکتر لونه‌که رولوفز از دانشگاه اوترخت و منتشرشده در Geophysical Research Letters، نشان داده شد که بلوکهای جامد دی‌اکسیدکربن هنگام سوبلیمیشن—یعنی گذار مستقیم از حالت جامد به گاز—میتوانند در شن فرو روند، آن را جابهجا کنند و در حالی که روی شیب می‌لغزند، شیارهایی با نماهای جانبی کوچک (levee) ایجاد کنند. این سوبلیمیشن فشار گاز محلی را افزایش میدهد که شن را به‌طرفین منفجر میکند و به بلوک یخی امکان میدهد تا به سمت پایین شیب پیشروی کند و خندق‌های باریکی بر جای گذارد که شباهت زیادی به تصاویر برداشت‌شده توسط دوربین‌های مدارگردی مانند HiRISE دارند.
How Sublimation Drives Movement and Erosion
جو نازک مریخ و نوسانات حرارتی شدید آن شرایطی پدید می‌آورند که روی زمین نادر است. در زمستان مریخی، تپههای شنی در برخی نواحی نیم‌کره جنوبی پوشش‌هایی از یخ CO2 را انباشته می‌کنند—لایه‌هایی که میتوانند به ده‌ها سانتی‌متر برسند. هنگامی که تابش آفتاب بهار سطح تپه را گرم میکند، زیرِ بلوکهای جداشدهٔ CO2 به‌سرعت تبخیر میشود. از آنجا که گاز برای یکسان جرم، حجم بسیار بیشتری نسبت به حالت جامد اشغال میکند، سوبلیمیشن سریع باعث تجمع فشار محلی زیر و اطراف بلوک می‌گردد؛ فشارهایی که قادر به جابه‌جایی و پخش شن هستند.
در توضیح مکانیک همان‌گونه که رولوفز می‌گوید: «در شبیهسازی ما دیدم که فشار گاز بالا چگونه شن را در پیرامون بلوک بهصورت جهشی می‌تراشاند.» بلوک سپس در فرو رفتگی ایجادشده آرام می‌گیرد و با ادامهٔ سوبلیمیشن و جت‌های گازی که از زیر آن خارج میشوند و همچنین نیروی گرانش، به‌تدریج به سمت پایین رانده میشود. گاز فرار شده شن را بهصورت دیواره‌های جانبی یا levee در دو سوی مسیر جابهجا میکند در حالی که خود بلوک یک شیار باریک و پیوسته ایجاد میکند. تکرار این فرایند طی فصول و روی تپههای متعدد شبکه‌هایی از شیارهای مارپیچ و پیچ‌دار تولید میکند که از دور میتوانند به اشتباه به‌عنوان اثر جانوران حفره‌ساز یا جریان آب تعبیر شوند. در نتیجه، شناخت مکانیزم سوبلیمیشن CO2 برای تفسیر تصاویر مداری و تشخیص تنوع سازندهای سطحی مریخ اهمیت دارد؛ به‌ویژه در مطالعاتی که به دنبال شواهد آب مایع یا زیست‌نشینی گذشته هستند.
The Laboratory Replay: The Mars Chamber Experiment
برای سنجش این فرضیه، رولوفز و دانشجوی کارشناسی ارشد سیمونه ویشرز از یک محفظهٔ شبیهسازی مریخ در دانشگاه آزاد (Open University) در میلتون کینز استفاده کردند. حمایت مالی از جامعهٔ بریتانیایی زمین‌ریخت‌شناسی (British Society of Geomorphology) بخشی از هزینهٔ این بازدید را تأمین کرد. درون این محفظه شرایط فشار پایین، دماهای سرد و شیبهای دانهای شنی لازم برای مشاهدهٔ تعامل‌های واقع‌گرایانه میان بلوکهای یخ CO2 و شن بازتولید شد؛ شرایطی که از لحاظ پارامتریک نزدیک به محیط سطحی برخی نواحی مریخ طراحی گردید.
آن‌ها زاویهٔ شیب‌ها را تغییر دادند و بلوکهای چند متری CO2 را روی نمایه‌های مدل‌شدهٔ تپهها رها کردند. تنها در شرایط خاص شیب و بستر بود که بلوک‌ها شروع به کندن و لغزیدن کردند و کانال‌های باریک و پیچ‌خورده با leveeهای کوچک تولید کردند—مورفولوژی‌هایی که تطابق نزدیکی با تصاویر HiRISE از تپههای واقعی مریخ نشان میدهند. این آزمایش‌ها پارامترهای حساس را نشان دادند: ضخامت پوشش یخ، اندازهٔ بلوک، زاویهٔ شیب، و ویژگیهای دانهای بستر همه می‌توانستند آستانهٔ آغاز حرکت و الگوی شیار را تغییر دهند. چنین نتایجی به مدل‌سازی عددی بهتر و پیش‌بینی محل شکلگیری این شیارها در مقیاس منظومهٔ مریخ کمک می‌کنند.
تپهٔ مریخی با شیارها در دهانهٔ راسل. در مسیر رو به پایین، بلوکهای یخی leveeهایی را تشکیل دادند. اعتبار تصویر: برداشت شده توسط HiRISE (PSP_001440_1255_RED)، ناسا/JPL/دانشگاه آریزونا. این تصاویر مداری (HiRISE) کلید تطبیق مورفولوژی‌های آزمایشگاهی با نمونه‌های واقعی روی سطح مریخ هستند و امکان ارزیابی پهنه‌های مستعد شکلگیری شیارهای CO2-ران را فراهم می‌کنند.
Where Do the Blocks Come From?
مشاهدات میدانی مداری و نتایج آزمایشگاهی در کنار هم نشان‌دهندهٔ منشأ فصلی این بلوک‌ها هستند. در زمستان، یک روپوش مداوم از یخ CO2 روی تپهها شکل می‌گیرد که گاهی تا حدود ~70 سانتی‌متر ضخامت می‌یابد. در بهار، آخرین رسوبات یخی معمولاً روی بخش‌های سایه‌دار لبهٔ تپهها باقی می‌مانند. افزایش دما باعث تضعیف این بقایا میشود و آن‌ها را به قطعاتی می‌شکند که میتوانند جدا شوند و به سمت پایین غلت بزنند یا بلغزند. در هنگام حرکت، سوبلیمیشن متمرکز زیر بلوک حفاری گاز-ران و leveeهای جانبی را ایجاد میکند که در هر دو برداشت آزمایشگاهی و تصویربرداری مداری قابل مشاهده است.
پس از اینکه یخ به‌طور کامل سوبلیمیت شد و تبدیل به گاز گردید، آنچه باقی می‌ماند یک فرورفتگی در پایهٔ تپه است—ویژگی مشخصی که در بسیاری از سامانه‌های شیارِ مریخی که توسط مدارگردها عکسبرداری شده‌اند، دیده میشود. این فرورفتگی‌ها و پلان‌های سطحی نتیجهٔ ترکیب فرآیندهای مکانیکی و ترمودینامیکی در فشار و دماهای خاص مریخ هستند و به عنوان نشانه‌هایی از فعالیت فصلی CO2 مطرح میشوند.
چیدمان قبل از آغاز آزمایش در محفظهٔ شبیهسازی مریخ. اعتبار تصویر: لونه‌که رولوفز / دانشگاه اوترخت. مستندسازی دقیق روش‌شناسی و شرایط آزمایش (فشار، دما، ترکیب بستر، اندازهٔ بلوک) اجازه میدهد تا دیگر پژوهشگران نتایج را بازتولید کنند و پارامترهای حساس را کمی‌سازی نمایند.
Why This Changes How We Read the Martian Surface
دهه‌هاست که دانشمندان سیاره‌ای بر سر این موضوع بحث کرده‌اند که آیا برخی شیارها روی مریخ نشانگر آب مایع گذرا، جریان‌های خشک دانهای، جریانِ آوارِ روان‌شوندهٔ تحت‌لغزشی با روان‌کنندهٔ گاز CO2، یا حتی فعالیت زیستی بوده‌اند یا نه. نشان دادن اینکه بلوکهای سوبلیمیت‌شوندهٔ CO2 میتوانند شیارهای باریک تپه‌ای را بازتولید کنند، یکی از مکانیزم‌هایی را روشن می‌سازد که سیارهٔ سرخ را بدون نیاز به آب مایع بازشکل میدهد. این یافته نقش فیزیک غیرزمینی—ترکیبی از فشار جوی پایین و تبدیل فازی CO2—را در تولید اشکال زمین‌شناختی‌ای که از دور شبیه نمونه‌های زمینی به نظر می‌رسند، برجسته میکند.
این بینش‌ها برای تفسیرِ اقلیم و چرخه‌های فصلی مریخ، ارزیابی قابلیت زیست‌پذیری گذشتهٔ نقاط خاص، و برنامه‌ریزی گذرهای روباتیک اهمیت دارد. برای نمونه، شناخت منشأ CO2-ران یک شیار اهمیت آن را به‌عنوان یک هدف احتمالی برای جستجوی زیست‌پذیری پیشین کاهش میدهد، در حالی که فرایندهای سطحی پویایی را نشان میدهد که میتوانند امنیت و برنامهٔ عملیات یک کاوشگر را تحت‌تأثیر قرار دهند یا نمونه‌برداری علمی را پیچیده سازند. از منظر تحقیقاتی، این نتایج به تصمیم‌گیری دربارهٔ اولویت هدف‌های ماموریت و انتخاب ابزارهای مناسب (مثلاً حسگرهای گاز، دوربین‌های وضوح‌بالا، ابزار تحلیل رسوب) کمک میکند.
.avif)
پس از آزمایش، زمانی که یخ CO2 (هنوز قابل مشاهده در پایین شیار) مسیر خود را از میان شن گذاشته و leveeهای مشخصی در دو سوی شیار برجای گذاشته است. احتمالاً خمیدگی در مسیر شیار به دلیل یک اختلال کوچک در بستر شن بوده است. اعتبار تصویر: لونه‌که رولوفز / دانشگاه اوترخت. این مشاهده نشان میدهد که حتی کوچک‌ترین ناپیوستگی‌های بستر میتوانند بر مسیر نهایی بلوک و شکلگیری leveeها اثر بگذارند؛ نکته‌ای که برای مدل‌سازی عددی و پیش‌بینی مورفولوژی‌ها مهم است.
Scientific Context and Broader Implications
کار رولوفز بر پایهٔ مطالعات پیشین که سوبلیمیشن CO2 را در رویدادهای دیگر ریزپایداری جرمی مریخ دخیل می‌دانستند ساخته شده است، مانند جریان‌های آوارِ فصلی که به‌واسطهٔ گاز لغزندگی یافته‌اند در دیواره‌های دهانه‌ها. این آزمایش عمل بلوکهای مجزا را جداسازی کرده و نشان میدهد چگونه مکانیسمی که پیشتر کمتر مورد توجه بود میتواند ردپای زمین‌شناختی پایداری بر جای بگذارد. با گسترش فهرست فرآیندهای غیرزیستی که مریخ را شکل میدهند، این پژوهش به پالایش مدل‌های فرسایش سطحی، حمل‌ونقل رسوب و تکامل چشم‌انداز تحت فشارها و دماهای مریخی کمک میکند.
افزون بر ارزش نظری، این تحقیق پیامدهای کاربردی نیز دارد: برای توسعهٔ ماموریت‌های آیندهٔ نمونه‌برداری یا فرود، آگاهی از مکانیزم‌های سطحی CO2-ران میتواند مکان‌یابی ایمن‌تر را تسهیل کند و از انتخاب نواحی کم‌اهمیت به‌عنوان اهداف زیستی جلوگیری نماید. همچنین این پژوهش نشان میدهد که برخی سازندهای شبیه به کانال‌های آبی ممکن است صرفاً برآیند فیزیک گاز-جامد در جو نازک باشند؛ تمایزی که در تفسیر تاریخ آب و اقلیم مریخ حیاتی است.
دکتر لونه‌که رولوفز در حال آماده‌سازی آزمایش‌ها در محفظهٔ شبیهسازی مریخ. اعتبار: لونه‌که رولوفز / دانشگاه اوترخت. شفافیت در ارائهٔ روش‌ها و داده‌ها امکان بازتولید نتایج را برای جوامع علمی فراهم می‌سازد و زمینهٔ همکاری بین‌دانشگاهی و بین‌المللی را تقویت میکند.
Expert Insight
«این کار نمونهٔ خوبی است از اینکه چگونه فیزیک سیاره‌ای میتواند ویژگی‌هایی تولید کند که ظاهراً زیستی به‌نظر می‌آیند اما کاملاً بی‌زیست هستند»، می‌گوید دکتر میرا ساتو، زمین‌ریخت‌شناس سیاره‌ای که در این مطالعه مشارکت نداشت. «درک فرسایش ناشی از CO2 به ما کمک میکند مورفولوژی شیارها در سراسر مریخ را درست تفسیر کنیم و اهداف آیندهٔ فرود و کاوشگرها را اولویت‌بندی نماییم. این همچنین یادآوری است که محیط‌های بیگانه میتوانند مواد آشنا—مانند شن و یخ—را به روش‌هایی غریب به‌کار گیرند.» کارشناسان بر این نکته تأکید می‌کنند که ترکیب شواهد آزمایشگاهی، تصویربرداری مداری و مدل‌سازی نظری برای بازسازی تاریخچهٔ دینامیک سطحی مریخ ضروری است.
What Comes Next for Mars Gully Research?
گامهای بعدی شامل شبیهسازیهای با دقت بالاتر، اندازه‌گیری‌های دقیقتر فشار گاز طی فرایند سوبلیمیشن، و پایش مداری هدفمند میدان‌های تپه‌ای در طول فصول است. رصدهای هماهنگ شده از ابزارهایی مانند HiRISE و داده‌های ماموریت‌های آینده میتوانند پیش‌بینی‌هایی دربارهٔ مکان شکلگیری شیارهای بلوک-CO2 و نحوهٔ تحول آن‌ها سال‌به‌سال را آزمون کنند. از نظر فناوری، توسعهٔ محفظههای آزمایشگاهی پیشرفته‌تر و حسگرهای جریان دانهای بیشتر به کمّیسازی نیروهای درگیر در فرسایش گاز-ران کمک خواهد کرد—فرایندی که به‌ندرت روی زمین مشاهده میشود و بنابراین نیازمند روش‌های اختصاصی است.
چرا مریخ همچنان جذاب است؟ زیرا ما را مجبور میکند فرایندهایی را که در زمین به‌راحتی می‌پذیریم، بازاندیشی کنیم. مطالعاتی مانند کار رولوفز ابزارهای ما را برای خواندن سطوح سیاره‌ای گسترش میدهند و مرز میان فرآیندهایی که میتوانند نشانۀ آب یا زیست‌پذیری گذشته باشند و آنهایی را که محصول فیزیک منحصر به مریخ‌اند، دقیقتر می‌نمایند. این تمایز برای اهداف علمی بلندمدت، از جمله درک تاریخ آب، اقلیم باستانی و پتانسیل زیستی سیاره، حیاتی است.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر