Dünenmuster offenbaren Umweltveränderungen auf der Erde und anderen Planeten

Dünen, vom Wind geformte Sandhügel, die von Wellen am Strand bis hin zu gewaltigen Giganten in der Wüste reichen, sind Inkarnationen von Oberflächenprozessen, des Klimawandels und der umgebenden Atmosphäre. Seit Jahrzehnten rätseln Wissenschaftler darüber, warum sie unterschiedliche Muster bilden.

Jetzt haben Stanford-Forscher einen Weg gefunden, die Bedeutung dieser Muster zu interpretieren. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Geologiekann als neues Werkzeug zum Verständnis von Umweltveränderungen auf jedem Planetenkörper verwendet werden, der Dünen beherbergt, einschließlich Venus, Erde, Mars, Titan, Io und Pluto.

„Wenn man sich andere Planeten anschaut, hat man nur Bilder, die aus Hunderten bis Tausenden Kilometern Entfernung von der Oberfläche aufgenommen wurden. Man kann Dünen sehen – aber das ist alles. Man hat keinen Zugang zur Oberfläche“, sagte der leitende Studienautor Mathieu Lapôtre, Assistenzprofessor für Erd- und Planetenwissenschaften an der Stanford Doerr School of Sustainability. „Diese Ergebnisse bieten ein wirklich aufregendes neues Werkzeug, um die Umweltgeschichte dieser anderen Planeten zu entschlüsseln, für die wir keine Daten haben.“

Die Wissenschaftler analysierten Satellitenbilder von 46 Dünenfeldern auf der Erde und dem Mars und untersuchten, wie die Dünen interagieren, also Sand austauschen. Physisch gesehen manifestieren sich Düneninteraktionen als Orte, an denen die Kammlinien zweier Dünen sehr nahe beieinander liegen. Durch solche Wechselwirkungen entwickeln sich Dünen zu einem Muster, das frei von Defekten ist und einen Gleichgewichtszustand mit den örtlichen Bedingungen widerspiegelt.

Daher stellten die Forscher die Hypothese auf, dass eine große Anzahl von Interaktionen wiederum auf aktuelle oder lokale Änderungen dieser Randbedingungen hinweisen muss. Um ihre Hypothese zu testen, nutzten sie Daten von Erde und Mars, um zu überprüfen, wie sich bekannte Änderungen der Umweltbedingungen, etwa der Windrichtung oder der Menge an verfügbarem Sand, auf die Düneninteraktionen in den Dünenfeldern auswirkten.

Ein Muster finden

In einem Teil der chinesischen Tengger-Wüste haben Forscher einst ein Dünenfeld flach gemacht, um eine Grundlage für das Verständnis seiner späteren Neubildung zu erhalten. Die Autoren der Studie analysierten Satellitenbilder des Dünenfeldes von 2016 bis 2022, um zu sehen, wie es sich im Gleichgewicht mit seiner Umgebung von einem Flachbett zu großen Dünen entwickelte.

„Wenn die Dünen und ihre Muster nicht im Gleichgewicht mit ihren aktuellen Bedingungen waren, war die Interaktionsdichte hoch, und wir konnten beobachten, dass sie im Laufe der Zeit stetig abnahm, wie es unsere Hypothese erwartet“, sagte Lapôtre.

Als nächstes untersuchten sie Dünen, die durch ein Tal in der Namib-Wüste wanderten, um herauszufinden, wie sich durch die Topographie ausgelöste Änderungen der Windbedingungen auf die Dünenmuster auswirken. Sie fanden heraus, dass Dünen außerhalb des Tals nur wenige Mängel in ihren Mustern aufwiesen, aber als sie durch das Tal wanderten – das zunächst sehr breit war, dann schmaler wurde und dann wieder breiter wurde – interagierten die Dünen stärker miteinander.

„Wenn sowohl Sand als auch Winde ins Tal geleitet werden, spüren die Dünen eine Veränderung ihrer Randbedingungen und ihr Muster muss angepasst werden“, sagte der leitende Studienautor Colin Marvin, ein Ph.D. Student der Erd- und Planetenwissenschaften. „Sie bewegen sich in den Teil außerhalb des Tals und gewöhnen sich wieder an ihre uneingeschränkten Bedingungen, und wir sehen einen Rückgang in der Anzahl der Interaktionen. Dieser Trend ist genau das, was wir erwartet hatten.“

Sie fanden heraus, dass dieses Muster auch auf dem Mars zutrifft, wo sich rund um den Nordpol ein großes Dünenfeld befindet. Dort haben sich die Wanderdünen in ihren jetzigen Zustand eingelebt – sie haben große Abstände, sehen gleich aus, haben die gleiche Größe – und interagieren deshalb nur sehr wenig miteinander.

Aber weiter windabwärts werden die Winde variabler und örtlicher Frost erschwert das Wegblasen der Körner. Dort reagieren die Dünen auf diese Veränderung, bis sie weit genug in diese neuen Bedingungen eingewandert sind, sodass ihr Muster erneut ausgereift ist, wodurch die Anzahl der Düneninteraktionen abnimmt.

Testen des Tools

„Wir haben eine Obergrenze für die Zeit, die eine bestimmte Düne benötigt, um sich an veränderte Umweltbedingungen anzupassen, und das ist die Zeit, die eine Düne benötigt, um eine Distanz von einer Dünenlänge zu wandern“, sagte Marvin. „Wir können dies nutzen, um aktuelle Veränderungen der Umweltbedingungen auf Planetenkörpern zu diagnostizieren, zu denen wir keine anderen Informationen als beispielsweise Bilder aus der Umlaufbahn oder vom Radar haben.“

Das Verständnis des aktuellen Marsklimas durch die Analyse aktueller Dünenmuster könnte Wissenschaftlern möglicherweise dabei helfen, beispielsweise die Breitengrade und Tiefen besser zu bestimmen, in denen zukünftige Astronauten Wassereis im Untergrund finden könnten, fügte Lapôtre hinzu.

Die Studie informiert Experten auch über die Mechanik der Dünen auf der Erde, was ihnen helfen kann, die Gesteinsgeschichte der Erde und damit die ferne Vergangenheit unseres Planeten besser zu interpretieren. Auf dem Saturnmond Titan könnte dieser Ansatz Informationen über die Topographie rund um den Äquator und die Wendekreise liefern, also in der Nähe des Ortes, an dem die Dragonfly-Mission Mitte der 2030er Jahre landen wird.

„Die Topographie kann Ihnen viele verschiedene Dinge verraten, zum Beispiel die geologische Geschichte des Planeten: Hat Titan Tektonik? Wie funktioniert das Innere von Titan und wie ist es mit der Oberfläche gekoppelt? Gibt es erhebliche Erosion?“ sagte Lapôtre. „Interpretationen von Dünenmustern könnten eine Art Kettenreaktion auslösen, bei der man eine neue Einschränkung schafft, und es wird für eine Menge Leute nützlich sein, später eine Menge Entdeckungen zu machen.“

Da andere Planeten unterschiedliche Größen, Schweregrade, Temperaturen und Zusammensetzungen haben, unterscheiden sich ihre geologischen Prozesse. Im Vergleich zu einem Rover, der an einem Punkt eines Planeten landet, um Informationen zu sammeln, können die Satellitendaten ganzer Dünenfelder das Verständnis der Wissenschaftler über diese außerirdischen Körper erheblich verbessern und wie sie unser Verständnis der Erde beeinflussen können.

„Wenn wir verstehen wollen, was in der Vergangenheit passiert ist, oder wenn wir vorhersagen wollen, was in der Zukunft passieren wird, ist das schwierig, wenn man zum Erstellen dieser Modelle nur einen Datenpunkt oder nur einen Planeten benötigt“, sagte Lapôtre . „Letztendlich ermöglichen uns diese Informationen, die Vergangenheit der Erde viel besser zu interpretieren und auch die Zukunft der Erde vorherzusagen.“