Zwischen den bergigen Dünen und kleinen welligen Wellen der wüstenähnlichen Oberfläche des Mars befinden sich Sandstrukturen mittlerer Größe, die mit nichts auf der Erde vergleichbar sind.
Wissenschaftler der Stanford University haben nun ein KI-Modell verwendet, um eine Million Marsdünen zu analysieren und aufzudecken, wie sich diese sandigen Wellen auf unserem Schwesterplaneten in einer Größenordnung bilden – etwa 1 Meter zwischen den Kämmen –, die zuvor mit der Physik der Entstehung von Wellen und Dünen unvereinbar schien Erde.
Die Ergebnisse, veröffentlicht am 22. November in Naturkommunikation, schlagen Wissenschaftler vor, zukünftig versteinerte Versionen dieser Strukturen zu verwenden, um die atmosphärische Geschichte des Mars zu rekonstruieren. Das liegt daran, dass es eine präzise und konsistente mathematische Beziehung zwischen der atmosphärischen Dichte und der Größe von Windwellen und Dünen gibt, außer in den kleinsten Maßstäben.
„Dies ist besonders wichtig, da angenommen wird, dass der Mars in der Vergangenheit eine dickere Atmosphäre hatte, die möglicherweise erdähnliche Oberflächenbedingungen aufrechterhielt“, sagte der leitende Studienautor Mathieu Lapôtre, Assistenzprofessor für geologische Wissenschaften an der Stanford Doerr School of Sustainability . „Allerdings hat es das meiste davon verloren, und wir wissen nicht wirklich, wann, wie schnell und warum.“
Ein Produkt des Luftstroms oder winzige Torpedos?
Sowohl auf der Erde als auch auf dem Mars türmen sich vom Wind verwehte Sandkörner zu Hügeln unterschiedlicher Form und Größe auf, die von kilometerlangen Dünen bis hin zu winzigen Graten reichen, die kaum hoch genug sind, um einen Einsiedlerkrebs zu verstecken. Auf der Erde sind die Kämme dieser kleineren Wellen normalerweise einige Zentimeter voneinander entfernt. Sie kommen häufig in Wüsten, an Stränden und in Sandsteinen vor und sind wie Fingerabdrücke uralter Winde erhalten. Wissenschaftler nennen sie „Aufprallwellen“, weil sie durch vom Wind verwehte Körner entstehen, die wie winzige Torpedos in Sandhügel spritzen.
Im Jahr 2015 lieferte der NASA-Rover Curiosity Bilder ähnlicher Muster auf der Marsoberfläche. Zusätzlich zu riesigen Dünen zeigten die Bilder kleinere Wellen in zwei unterschiedlichen Maßstäben: Einige hatten die Größe von Aufprallwellen, die von ähnlich großen Körnern auf der Erde bekannt sind; andere waren etwa zehnmal größer – aber immer noch kleiner als Dünen, die mehr durch Luftströmungen als durch Sandeinschläge geformt wurden.
Wie es dazu kam, dass diese beiden unterschiedlichen Wellenskalen auf dem Mars koexistierten und sich gemeinsam entwickelten, hat die Wissenschaftler seitdem verwirrt. Nach einer vorgeschlagenen Erklärung resultieren die mittelgroßen Strukturen aus dem kontinuierlichen Wachstum von Aufprallwellen, die durch den sehr niedrigen Luftdruck auf dem Mars ermöglicht werden. Im Gegensatz zur Idee eines Kontinuums hatten Wissenschaftler jedoch ein unerklärliches Fehlen von Wellen mit Kämmen im Abstand von 8 bis 30 Zoll beobachtet.
Lapôtre und andere Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass die Formen aus einer hydrodynamischen Instabilität resultieren könnten, von der bereits bekannt ist, dass sie windgeblasene Dünen in Wüsten und ähnliche wellenförmige Hügel in sandigen Flussbetten auf der Erde erzeugt.
Forscher haben auch spekuliert, dass die Größe größerer Wellen und Dünen auf dem Mars und Wellen, die sich unter Wasser auf unserem eigenen Planeten bilden, alle durch dieselbe Verschiebung oder Anomalie im Luft- oder Wasserstrom gesteuert werden könnten. Diese Verschiebung, die erst auftritt, nachdem Hügel eine bestimmte Größe überschritten haben, würde aus dem Zusammenspiel globaler atmosphärischer Eigenschaften wie Dichte und lokaler Faktoren wie Topographie und Windschergeschwindigkeit resultieren.
Aber bis jetzt hatten Wissenschaftler die Existenz der Anomalie nur aus streng kontrollierten Experimenten vermutet. Es wurde in der komplexen Umgebung natürlicher Dünen nicht beobachtet.
Dünenerkennung
Zusammen mit dem Hauptautor Lior Rubanenko machten sich Lapôtre und Kollegen daran, diese Theorien mit Daten vom Mars zu testen und dabei auf Lapôtres früherer Arbeit aufzubauen, bei der die Größe der Welligkeit mit der atmosphärischen Dichte durch statistische Analyse verbunden wurde. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler reale Daten vom Roten Planeten verwenden, um die Vorhersage der hydrodynamischen Theorie zu testen – und, wie sich herausstellt, zu bestätigen –, dass die Größe der kleinsten Dünen des Mars, genau wie seine Kräuselungen, dort abnehmen sollte, wo die Luft ist dicker.
Die Autoren verwendeten mehr als 130.000 hochauflösende Bilder des Mars, die von Raumfahrzeugen aufgenommen wurden, und ein KI-basiertes Computer-Vision-Modell, das erstmals entwickelt wurde, um verschiedene Instanzen verschiedener Arten von Objekten vor einem Hintergrund zu erkennen – die Umrisse beispielsweise von drei Personen, a Bus und zwei Autos auf einem Foto einer Stadtstraße. Das Stanford-Team beschriftete Dünen manuell in einer kleinen Teilmenge von Bildern und verwendete diese Beispiele dann, um das Modell zu trainieren, um Dünenkonturen zu erkennen und Dünengrößen über den größten Teil der Marsoberfläche zu schätzen.
Die Autoren analysierten diesen riesigen neuen Datensatz zusammen mit Berechnungen der atmosphärischen Dichte über dem Mars. Was sie herausfanden, war, dass die merkwürdig mittelgroßen Wellen überhaupt keine Aufprallwellen sind. Stattdessen sind die ausgeprägten Strukturen auf dem Mars eher wie Miniaturdünen, die an einem bestimmten Punkt aufhören zu wachsen, weil die vorhergesagte Anomalie oder Verschiebung des flüssigkeitsähnlichen Luftstroms in der sehr dünnen, turbulenten Atmosphäre nahe der Marsoberfläche entsteht.
„Einschlagswellen bilden sich auf dem Mars genau wie auf der Erde und haben mehr oder weniger die gleiche Größe“, sagte Rubanenko, der als Postdoktorand für geologische Wissenschaften in Stanford an der Studie arbeitete. „Das ist sinnvoll, da der Mechanismus, der die Aufprallwellen bildet, weniger mit den Eigenschaften der Atmosphäre als vielmehr mit der Mechanik des Sandtransports zu tun hat.“
„Jetzt, da wir wissen, wie die Größe dieser Wellen mit der atmosphärischen Dichte variiert und warum, können wir die Größe versteinerter Wellen in sehr altem Gestein verwenden, um die Geschichte der Marsatmosphäre zu rekonstruieren“, sagte Lapôtre.
Mehr Informationen:
Lior Rubanenko et al., Ein ausgeprägtes Wellenbildungsregime auf dem Mars, das durch die Morphometrie von Barchan-Dünen offenbart wurde, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34974-3