Jak to jest być na Wenus lub Plutonie? Zbadaliśmy ich wydmy piaskowe i znaleźliśmy kilka wskazówek

Jak to jest znaleźć się na powierzchni Marsa lub Wenus? Albo jeszcze dalej, np. na Plutonie lub księżycu Saturna Tytanie?

Ta ciekawość napędza postępy w badaniach kosmosu od czasu wystrzelenia Sputnika 1 65 lat temu. Jednak dopiero teraz zaczynamy zdrapywać powierzchnię tego, co można wiedzieć o innych ciałach planetarnych w Układzie Słonecznym.

Nasze nowe badanie, opublikowane dziś w Nature Astronomy, pokazuje, że niektórzy mało prawdopodobni kandydaci – a mianowicie wydmy piaskowe – mogą dostarczyć wiedzy na temat pogody i warunków, jakich można doświadczyć, stojąc na odległym ciele planetarnym.

Co znajduje się w ziarnku piasku?

Angielski poeta William Blake zastanawiał się, co to znaczy „widzieć świat w ziarenku piasku”.

W naszych badaniach potraktowaliśmy to całkiem dosłownie. Chodziło o to, by wykorzystać samą obecność wydm piaskowych do zrozumienia, jakie warunki panują na powierzchni świata.

Aby wydmy w ogóle mogły istnieć, musi być spełnionych kilka kryteriów „Goldilocksa„. Pierwszym z nich jest obecność erodujących, ale trwałych ziaren. Muszą też istnieć wiatry wystarczająco szybkie, by te ziarna przeskakiwały po ziemi – ale nie na tyle szybkie, by unieść je wysoko w atmosferę.

Jak dotąd bezpośrednie pomiary wiatrów i osadów były możliwe tylko na Ziemi i Marsie. Jednak na wielu innych ciałach (a nawet na kometach) udało się zaobserwować za pomocą satelity osady naniesione przez wiatr. Sama obecność takich wydm na tych ciałach sugeruje, że spełnione są warunki Goldilocksa.

Nasza praca koncentrowała się na Wenus, Ziemi, Marsie, Tytanie, Trytonie (największym księżycu Neptuna) i Plutonie. Od dziesięcioleci trwają nierozwiązane dyskusje na temat tych ciał.

Jak pogodzić widoczne na powierzchniach Trytona i Plutona smagane wiatrem rysy z ich cienkimi, delikatnymi atmosferami? Dlaczego na Marsie obserwujemy tak obfitą aktywność piasku i pyłu, mimo że pomiary wiatrów wydają się zbyt słabe, by ją podtrzymać?

I czy gęsta i dusząco gorąca atmosfera Wenus porusza piasek w sposób podobny do tego, w jaki powietrze lub woda poruszają się na Ziemi?

Pogłębianie debaty

Nasze badania pozwalają przewidzieć, jakie wiatry będą potrzebne do przemieszczania osadów na tych ciałach i jak łatwo osady będą się rozpadać pod wpływem tych wiatrów.

Przewidywania te skonstruowaliśmy, łącząc wyniki z wielu innych badań i testując je na podstawie wszystkich danych eksperymentalnych, jakie udało nam się zgromadzić.

Następnie zastosowaliśmy te teorie do każdego z sześciu ciał, opierając się na pomiarach teleskopowych i satelitarnych takich zmiennych, jak grawitacja, skład atmosfery, temperatura powierzchni i wytrzymałość osadów.

Wcześniejsze badania dotyczyły albo progu prędkości wiatru wymaganego do poruszenia piasku, albo wytrzymałości różnych cząstek osadów. W naszej pracy połączyliśmy te dwie cechy – sprawdziliśmy, jak łatwo cząstki mogą się rozpadać w warunkach atmosferycznych przenoszących piasek na tych ciałach.

Wiemy na przykład, że na równiku Tytana znajdują się wydmy piaskowe, ale nie jesteśmy pewni, jaki osad otacza równik. Czy jest to czysta mgiełka organiczna spływająca z atmosfery, czy też zmieszana z gęstszym lodem?

Jak się okazuje, odkryliśmy, że luźne skupiska zamglenia organicznego rozpadłyby się po zderzeniu, gdyby były niesione przez wiatry wiejące na równiku Tytana.

Oznacza to, że wydmy na Tytanie prawdopodobnie nie są zbudowane wyłącznie z organicznej mgiełki. Aby powstała wydma, osad musi być przez długi czas rozwiewany przez wiatr (niektóre ziemskie piaski wydmowe mają milion lat).

Stwierdziliśmy również, że prędkości wiatru na Plutonie musiałyby być zbyt duże, aby transportować lód metanowy lub azotowy (czyli to, czym według hipotez miały być osady z wydm na Plutonie). To stawia pod znakiem zapytania, czy „wydmy” na równinie Plutona, Sputnik Planitia, są w ogóle wydmami.

Zamiast tego mogą to być fale sublimacyjne. Są to wydmopodobne formy terenu powstałe w wyniku sublimacji materiału, a nie erozji osadów (jak te widoczne na północnej czapie polarnej Marsa).

Nasze wyniki dla Marsa sugerują, że więcej pyłu powstaje w wyniku transportu piasku niesionego wiatrem na Marsie niż na Ziemi. Sugeruje to, że nasze modele atmosfery marsjańskiej mogą nie być w stanie efektywnie uchwycić silnych wiatrów katabatycznych, czyli zimnych podmuchów, które wieją w nocy z gór na dolinę.

Potencjał dla eksploracji kosmosu

Badanie to pojawia się na interesującym etapie eksploracji kosmosu.

W przypadku Marsa mamy względną obfitość obserwacji; pięć agencji kosmicznych prowadzi aktywne misje na orbicie lub na miejscu. Badania takie jak nasze pomagają w określaniu celów tych misji oraz ścieżek obranych przez łaziki takie jak Perseverance i Zhurong.

W zewnętrznych częściach Układu Słonecznego, Tryton nie był szczegółowo obserwowany od przelotu NASA Voyager 2 w 1989 roku. Obecnie istnieje propozycja misji, która, jeśli zostanie wybrana, w 2031 r. wystrzeli sondę w celu zbadania Trytona, a następnie unicestwienia jej poprzez wlecenie w atmosferę Neptuna.

Planowane na najbliższą dekadę misje na Wenus i Tytana zrewolucjonizują naszą wiedzę o tych dwóch planetach. Misja Dragonfly NASA, która ma opuścić Ziemię w 2027 r. i dotrzeć na Tytana w 2034 r., wyląduje na wydmach księżyca bezzałogowym helikopterem.

Pluton został poddany obserwacji podczas przelotu w 2015 r. przez misję NASA New Horizons, ale nie ma planów powrotu.