沙丘图案揭示了地球和其他行星的环境变化

沙丘是由风形成的沙丘，从海滩上的波纹到沙漠中高耸的庞然大物，是地表过程、气候变化和周围大气的化身。几十年来，科学家们一直对它们为何形成不同的模式感到困惑。

现在，斯坦福大学的研究人员找到了一种解释这些模式含义的方法。他们的研究结果发表在《地质学》上，可以用作了解任何拥有沙丘的行星体(包括金星、地球、火星、土卫六、木卫一和冥王星) 环境变化的新工具。

“当你观察其他行星时，你所拥有的只是在距地表数百至数千公里处拍摄的照片。你可以看到沙丘，但仅此而已。你无法进入地表，”资深研究作者马蒂厄说拉波特是斯坦福杜尔可持续发展学院地球和行星科学助理教授。“这些发现提供了一个非常令人兴奋的新工具，可以破译我们没有数据的其他行星的 环境历史。”

科学家们分析了地球和火星上 46 个沙丘区的卫星图像，并研究了沙丘如何相互作用或交换沙子。从物理上讲，沙丘相互作用表现为两个沙丘的顶线彼此非常接近的位置。通过这种相互作用，沙丘朝着没有缺陷的模式演化，反映了与当地条件的平衡状态。

因此，研究人员假设，大量的相互作用反过来必然预示着这些边界条件的近期或局部变化。为了检验他们的假设，他们使用来自地球和火星的数据来验证已知的环境条件变化(例如风向或可用沙量)如何影响沙丘场中沙丘的相互作用。

寻找模式

在中国腾格里沙漠的一部分，研究人员曾经夷平了一片沙丘场，为了解其后续的改造奠定了基础。研究作者分析了2016 年至 2022 年沙丘场的 卫星图像，以了解沙丘如何从平坦的沙床成长为与环境平衡的大型沙丘。

拉波特尔说：“当沙丘及其模式与当前条件不平衡时，相互作用密度很高，随着时间的推移，我们可以看到它持续下降，正如我们的假设所预期的那样。”

接下来，他们研究了穿过纳米布沙漠山谷的沙丘，以了解地形引发的风况变化如何影响沙丘模式。他们发现山谷外的沙丘在图案上几乎没有什么缺陷，但当它们穿过山谷时——山谷开始很宽，然后变窄，然后又变宽——沙丘之间的相互作用更多。

“随着沙子和风流入山谷，沙丘的边界条件发生了变化，它们的模式需要调整，”该研究的主要作者、博士生科林·马文说。地球和行星科学专业的学生。“它们进入山谷外的部分，并再次重新适应不受限制的条件，我们看到相互作用的数量有所下降。这种趋势正是我们所期望看到的。”

他们还发现这种模式在火星上也成立，那里的北极周围有一个大沙丘场。在那里，迁移的沙丘已经适应了它们目前的状况——它们的间距很好，它们看起来一样，它们的大小也一样——正因为如此，它们彼此之间的相互作用很少。

但在顺风处，风变得更加多变，局部霜冻使谷物更难被吹走。在那里，沙丘对这种变化做出反应，直到它们迁移到足够远的地方进入这些新条件，使其模式再次成熟，从而减少沙丘相互作用的数量。

测试工具

马文说：“我们对特定沙丘适应环境条件变化所需的时间有一个上限，即沙丘迁移一个沙丘长度的距离所需的时间。” “我们可以用它来诊断行星体环境条件的最近变化，除了从轨道或雷达拍摄的图像之外，我们没有任何信息。”

拉波特补充说，通过分析当前的沙丘模式来了解火星最近的气候可能会帮助科学家更好地确定未来宇航员可能在地下找到水冰的纬度和深度。

这项研究还向专家介绍了地球上沙丘的力学，这可以帮助他们更好地解释地球的岩石记录，从而解释我们星球遥远的过去。在土星的卫星泰坦上，这种方法可以揭示有关赤道和热带地区周围地形的信息，这些信息靠近蜻蜓任务将在 2030 年代中期着陆的地方。

“地形可以告诉你很多不同的事情;例如，地球的地质历史：土卫六有构造吗?土卫六的内部是如何运作的，它与表面是如何结合的?是否有明显的侵蚀?” 拉波特说。“对沙丘模式的解释可能会引发某种连锁反应，在这种反应中，你提供了一个新的约束，这对一群人做出一系列的发现很有用。”

由于其他行星具有不同的大小、重力、温度和成分，因此它们的地质过程也会有所不同。与登陆行星某一点收集信息的漫游车相比，整个沙丘区的卫星数据可以极大地增加科学家对这些外星天体的了解，以及它们如何帮助我们了解地球。

拉波特尔说：“如果我们想了解过去发生的事情，或者如果我们想预测未来会发生什么，那么当创建这些模型所需的只是一个数据点或一颗行星时，这是很难做到的。” 。“最终，此类信息使我们能够更好地解释地球的过去并预测地球的未来。”