10 دقیقه
شیارهای عجیب و مارمانندی که هر بهار بر سطح تپههای شنی مریخ پدیدار میشوند سال‌ها دانشمندان سیاره‌ای را کنجکاو کرده‌اند. آزمایشهای جدید آزمایشگاهی نشان میدهد بلوکهای یخ دیاکسید کربن — یخ خشک — میتوانند هنگام تصعید از داخل شن عبور کنند و با پرتاب ذرات، مسیرهای مارپیچی دقیقی ایجاد کنند که از مدارگردها دیده می‌شود. این یافته مسیر تبیین سازوکار فعال بر سطح مریخ را روشن میکند و نشان میدهد فرآیندهای وابسته به یخهای فرار (volatile ices) میتوانند شکل‌گیری زمین‌چهره‌هایی پیچیده را باعث شوند.
بازسازی مریخ در آزمایشگاه: آزمایشی که معما را حل کرد
دانشمندان دانشگاه اوترخت و همکارانشان بار دیگر به یک محفظه شبیهسازی مریخی بازگشتند تا ایده‌ای مبهم را بررسی کنند: آیا یخ فصلی CO2 می‌تواند بدون دخالت آب مایع، همان شیارهای موجی و leveeدار را روی تپهها تولید کند؟ کارهای قبلی نشان داده بودند که بلوکهای یخ CO2 میتوانند روی لایه‌ای از بخار لغزند و روی شیب‌های تند حرکت کنند، اما آن مطالعات نتوانسته بودند ساختارهای پیچ‌درپیچ و لب‌دار روی تپهها را بازتولید کنند. در این دور از آزمایشها زاویه شیب، اندازه دانههای شن و اندازه بلوک یخ بهصورت متغیر تنظیم شد و هر آزمایش با دوربین‌های پرسرعت ثبت شد؛ همه اینها در شرایط فشار و دمایی نزدیک به مریخ انجام گرفت تا پارامترهای فیزیکی به‌خوبی کنترل شوند.
در طراحی آزمایشها، تیم بر اندازه‌های نمونهبرداری، بازه‌های دمایی و فشار پایین (مشابه میلی‌بارهای جوی مریخ) تمرکز کرد و همچنین ترکیب‌های مختلف شن را مورد آزمون قرار داد تا تأثیر بافت و چسبندگی دانه‌ها بررسی شود. استفاده از دوربین‌های با نرخ فریم بالا و نورپردازی کنترل‌شده امکان مشاهده جزئیات گذرا از جمله لحظه تصعید، پرتاب ذرات و تشکیل لبههای بالارفته (levees) را فراهم کرد. این روش تجربی به تیم اجازه داد تا رفتار بلوک‌ها را در طیف وسیعی از شرایط مقایسه کند و آستانه‌های رفتاری را به‌دقت تعیین نماید.
نتایج چشمگیر بود. بر روی شیب‌های تندتر از تقریبا 25 درجه، بلوکهای یخ خشک روی یک لایه نازک از بخار لغزیدند و جای زخم‌های منتشر و پراکنده‌ای به جا گذاشتند؛ اما روی شیب‌های ملایم‌تر — پایین‌تر از حدود 22.5 درجه — بلوک‌ها شروع به فرورفتن در شن کردند. با گرم شدن سطح زیرین بلوک، CO2 به‌سرعت تصعید شد (تبدیل از جامد به گاز) و فشار زیر یخ افزایش یافت؛ این فشار گاز سبب پرتاب ذرات شن به بیرون شد. بلوکهای دفن‌شده عملا در شن تونل می‌زدند و در مسیر پایین‌دست کانال‌های مارپیچی با لبههای برجسته و یک حفره انتهایی کوچک ایجاد می‌کردند — ویژگیهایی که با تصاویر مدارگردی از شیارهای تپه‌ای مریخ کاملاً همخوانی دارند.
چرا CO2 مانند یک «موتور حفره‌زن» رفتار میکند
دو خصوصیت فیزیکی کلیدی موجب فعال شدن این سازوکار میشوند. نخست، یخ دیاکسید کربن در بازه نور مرئی و مادون‌قرمز نزدیک تا اندازه‌ای شفاف است: نور خورشید می‌تواند نفوذ کند و شن تاریک زیر یخ را گرم کند. دوم، جو نازک غنی از CO2 مریخ و توده یخ عایق‌ساز، آن حرارت را تحت یخ تله میکنند؛ در نتیجه در رابط بین یخ و شن تصعید سریع رخ میدهد. گازی که تولید می‌شود جایی برای فرار ندارد و بهصورت انفجاری از زیر یخ به بیرون میجهد، ذرات شن را پرتاب کرده و بلوک یخ را به جلو یا به سمت پایین رانش میدهد.
این فرآیند را می‌توان با چند سازوکار فیزیکی خلاصه کرد: نفوذ نور و انتقال گرما به داخل پوشش شن، تصعید سریع در مرز جامد-گاز، و تجمع فشار محلی که بهصورت جت‌های گازی با انرژی کافی برای جابه‌جایی ذرات عمل میکند. در فشارهای بسیار پایین مریخ، رفتار گاز و تعادل نیروها با زمین متفاوت است؛ این تفاوت‌ها باعث می‌شود پدیده‌هایی که روی زمین نامحتمل‌اند در مریخ رخ دهند. علاوه بر این، پارامترهایی مانند میزان نفوذ نور، ظرفیت گرمایی شن و ضریب اصطکاک بین یخ و ذرات شن تعیین‌کننده نحوه فرو رفتن یا لغزش بلوک‌ها هستند.
شبیه‌سازی‌های مقیاس‌شده که گرانش مریخی (حدود 0.38 برابر گرانش زمین) را در نظر گرفته‌اند نشان می‌دهند بلوک‌هایی تا حدود یک متر ضخامت قادر به پرتاب شن تا ده‌ها متر هستند — فاصله‌ای که برای تولید شیارهای مشاهدهشده کافی است. این سازوکار همچنین توضیح میدهد که چرا این پدیده عمدتاً در دامنه‌های با دانههای ریز رخ میدهد: مواد درشت‌تر به‌راحتی توسط فوران‌های گازی بلند نمی‌شوند و اجازه نمی‌دهند یخ به همان شیوه داخل پوشش شن جای گیرد و تراش ایجاد کند.
به‌عبارت دیگر، ترکیب اندازه بلوک یخ، اندازه و شکل دانه‌ها، و گرانش کاهش‌یافته مریخ تعیین‌کننده دامنه و هندسه خروجی این پدیده است. در مواردی که دانه‌ها خیلی ریز و چسبندگی سطوح کم باشد، گاز تصعیدی می‌تواند به‌راحتی ذرات را جابجا کند و لبههای مشخص و حفره انتهایی را شکل دهد؛ در حالی که در بسترهای سنگین‌تر و درشت‌تر، اثرات تصعید بیشتر بهصورت لکه‌ها یا برآمدگی‌های پراکنده خواهد بود.
زمینه تاریخی: از فرضیه‌های آب تا فرآیند مبتنی بر CO2
وقتی این شیارها برای اولین بار در اواخر دهه 1990 و اوایل 2000 شناسایی شدند (با افزایش وضوح تصاویر مدارگردی)، برخی محققان جریان‌های موقت آب را به‌عنوان علت ممکن مطرح کردند. این تفسیر تا حدودی ناشی از شباهت‌های ظاهری با بریدگی‌های ناشی از آب روی زمین بود. اما شرایط سطحی فعلی مریخ — فشار بسیار پایین جو و دماهای عمدتا زیر نقطه انجماد آب در بسیاری از مناطق — جریان آب پایداری را در این محل‌ها نامحتمل می‌سازد. به همین دلیل پژوهشگران به دنبال مکانیسم‌های خشک‌تر و مبتنی بر تصعید مانند CO2 گشتند.
مدل تصعید CO2 که اساس این تحقیق است نخستین‌بار حدود سال 2013 به‌عنوان توضیحی برای برخی تغییرات فصلی مطرح شد و از آن زمان به‌تدریج حمایت تجربی و شبیه‌سازی‌های عددی بیشتری برای آن جمع شد. با پیشرفت تکنیک‌های آزمایشگاهی و رصدی — از جمله داده‌های با وضوح بالای دوربین‌هایی مانند HiRISE و مقایسه با آزمایشهای فیزیکی — شکاف‌های موجود در تبیین این پدیده کاهش یافته‌اند. مطالعات جدیدتری که ترکیبی از مدل‌های حرارتی، دینامیک گاز و آزمایشهای کنترل‌شده را ارائه کرده‌اند، توانسته‌اند جزئیات پیچیده‌تری از جمله سینویسیته (مارپیچی بودن مسیر)، تشکیل leveeها و حفرات پایانی را شبیهسازی کنند؛ چیزی که تا این آزمایشهای جدید بهطور کامل دیده نشده بود.
پیامدها برای زمین‌شناسی سیاره‌ای و مطالعات آتی
درک اینکه چگونه یخ فصلی CO2 تپههای مریخی را شکل میدهد از چند جهت مهم است. نخست، این موضوع دیدگاه ما را نسبت به فرآیندهای فعال سطحی در سیاره‌ای که مدت‌ها آن را زمین‌شناسان کم‌تحرک می‌پنداشتند، بازتعریف میکند. دوم، شناخت دقیق‌تر سازوکارهای تشکیل‌دهنده شیارها به تحلیل تصاویر مدارگردی کمک میکند و تفسیرهایی که ممکن است آب یا فرآیندهای بیولوژیک را نشان دهند از توضیحات غیرزیستی متمایز می‌سازد.
این تمایز اهمیت زیادی برای برنامه‌ریزی مأموریتهای آینده دارد: انتخاب محل فرود، اهداف نمونهبرداری و تعیین اولویتهای علمی بستگی به این دارد که آیا یک ویژگی ناشی از آب بوده یا محصول فرایندهای وابسته به یخهای فرار. علاوه بر این، مطالعه این پدیده‌ها داده‌های مهمی درباره انتقال ماده، فرسایش و تکامل زمین‌چهره‌ای در اقلیم‌های سرد و کم‌فشار فراهم می‌آورد که می‌تواند برای تفسیر ساختارهای مشابه در قمرها و سیاره‌های کوچک یخی نیز استفاده شود.
تیم تحقیقاتی قصد دارد آزمایشهای بیشتری با بلوکهای بزرگ‌تر یخ و ترکیب‌های شن متنوع انجام دهد تا بازه پارامتری رفتار را دقیق‌تر تعیین کند و مدل‌هایی را توسعه دهد که نتایج آزمایشگاهی را به شرایط واقعی مریخ مقیاس میکنند. این شامل آزمایشهای عددی پیچیده‌تر برای پیش‌بینی برد پرتاب ذرات تحت گرانش مریخی و تعامل بین نفوذ گرما، تصعید و مکانیک خاک خواهد بود. هم‌زمان، رصدهای مداوم مدارگردی می‌تواند روندهای فصلی را ثبت و ارتباط بین آزمایشهای زمینی و مشاهدات فضایی را تقویت نماید.
دیدگاه کارشناسی
دکتر لنه‌که رولوفز از دانشگاه اوترخت حرکت بلوک‌ها را تا حدی زنده یا اندامی توصیف کرد: او بلوک‌ها را به جانوران حفره‌زن تشبیه کرد و به نحوه ایجاد کانال‌ها در هنگام فرورفتن و حرکت اشاره نمود. او گفت: «ما مشاهده کردیم که بلوک CO2 در دامنه فرو می‌رود و مانند یک حفره‌زن پیشروی میکند، سپس هنگامی که متوقف شد به تصعید ادامه میدهد و یک حفره کوچک را در پشت خود خالی میکند.» او تأکید کرد که بازتولیدهای آزمایشگاهی با مشاهدات ماهواره‌ای تطابق نزدیکی داشته‌اند.
دانشمندان سیاره‌ای معتقدند این کار یک پیام عمومی‌تر نیز دارد: فرآیندهای کنترل‌شده توسط یخهای فرار میتوانند زمین‌چهره‌های بسیار پیچیده‌ای ایجاد کنند و مطالعه آن‌ها دامنه شناخت ما از تکامل سطحی در منظومهٔ شمسی را گسترده‌تر میکند. این نتیجه‌گیری به ویژه در مواردی که به دنبال شواهد آب یا شرایط مساعد برای زندگی می‌گردیم اهمیت دارد، زیرا نشان میدهد بسیاری از ویژگیهایی که شاید به‌سادگی به آب نسبت داده شوند، میتوانند منشاء کاملاً غیرآبی داشته باشند.
گام‌های بعدی
تیم تحقیقاتی قصد دارد اندازه‌های بزرگ‌تر یخ و بافت‌های دانه‌ای متفاوت را آزمایش کند و مدل‌های عددی را بهبود بخشد تا برد پرتاب مواد و شکل‌گیری دقیق‌تر کانال‌ها را تحت گرانش واقعی مریخ پیش‌بینی کند. ترکیب پایش مکرر از مدار — با هدف مشاهده روندهای فصلی و تغییرات آن‌ها — و آزمایشهای هدفمند آزمایشگاهی، به تأیید این که آیا پدیدهٔ حفره‌زنی توسط CO2 مسئول تمام شیارهای فصلی تپه‌هاست یا خیر کمک خواهد کرد. افزون بر این، محققان به بررسی احتمال وقوع فرآیندهای مشابه بر روی اجرام یخی دیگر مانند قمرهای یخی بزرگ، پلوتو یا تکه‌های یخ‌دار در کمربند کویپر نیز علاقه‌مندند؛ چرا که اصول فیزیکی تصعید و رانش گازی می‌تواند در آنجاها نیز بازیگر اصلی باشد.
منبع: sciencealert
نظرات
مهدی
خوبه ولی یه کم اغراقه؟ شاید بعضی شیارها آب هم داشته باشن یا ترکیبی. منتظر مقیاس‌بندی دقیق‌ترم.
ویبلین
جالب که فرآیندهای خشک هم میتونن چنین شکل‌های پیچیده‌ای بسازن؛ دیدگاهم درباره شواهد آب عوض شد.
لابکور
من از نزدیک دیدم آزمایشهای مشابه، اون حس «حفره‌زن» واقعی‌یه، البته شرایط مریخ رو سخته کامل بازسازی کنن
توربو
خب اگر این مطلب درسته، پس چرا همه شیارها بازتولید نشده؟ آیا پارامترهای محلی خیلی تأثیر داره؟
دیتاپالس
وای، یعنی یخ خشک مثل موتور حفره‌زنی عمل می‌کنه؟! عجیب و کمی ترسناک، فکر نمیکردم اینقدر پیچیده باشه...
ارسال نظر