Parmi les dunes montagneuses et les petites ondulations ondulantes de la surface désertique de Mars se trouvent des structures de sable, de taille intermédiaire, qui ne ressemblent à rien sur Terre.
Les scientifiques de l’Université de Stanford ont maintenant utilisé un modèle d’IA pour analyser un million de dunes martiennes et découvrir comment ces vagues de sable se forment sur notre planète sœur à une échelle – environ 1 mètre entre les crêtes – qui semblait auparavant incompatible avec la physique de la façon dont les ondulations et les dunes apparaissent sur Terre.
Les résultats, publiés le 22 novembre dans Communication Nature, suggèrent que les chercheurs à l’avenir peuvent utiliser des versions fossilisées de ces structures pour reconstruire l’histoire atmosphérique de Mars. C’est parce qu’il existe une relation mathématique précise et cohérente entre la densité atmosphérique et la taille des ondulations et des dunes soufflées par le vent à toutes les échelles sauf les plus petites.
« Ceci est particulièrement important car on pense que Mars avait une atmosphère plus épaisse dans le passé, soutenant peut-être des conditions de surface semblables à celles de la Terre », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Mathieu Lapôtre, professeur adjoint de sciences géologiques à la Stanford Doerr School of Sustainability. . « Cependant, il en a perdu la majeure partie, et nous ne savons pas vraiment quand, à quelle vitesse et pourquoi. »
Un produit du flux d’air ou de minuscules torpilles ?
Sur Terre et sur Mars, les grains de sable soufflés par le vent s’entassent en monticules de formes et de tailles différentes, allant de dunes qui s’étendent sur des kilomètres à de minuscules crêtes à peine assez hautes pour cacher un bernard-l’ermite. Sur Terre, les crêtes de ces ondulations plus petites sont généralement espacées de quelques centimètres. Ils sont communs dans les déserts, sur les plages et dans les grès, préservés comme les empreintes digitales des vents anciens. Les scientifiques les appellent « ondulations d’impact » parce qu’elles résultent de grains soufflés par le vent qui éclaboussent des monticules de sable comme de minuscules torpilles.
En 2015, le rover Curiosity de la NASA a renvoyé des images de motifs similaires à la surface de Mars. En plus des dunes géantes, les images montraient des vagues plus petites à deux échelles distinctes : certaines étaient proches de la taille des ondulations d’impact familières dans les grains de taille similaire sur Terre ; d’autres étaient environ 10 fois plus grandes, mais toujours plus petites que les dunes, qui sont davantage façonnées par le flux d’air que par les impacts de sable.
Depuis lors, la façon dont ces deux échelles d’ondulation distinctes ont pu coexister et coévoluer sur Mars intrigue les scientifiques. Selon une explication proposée, les structures de taille moyenne résultent de la croissance continue des ondulations d’impact, rendues possibles par une très faible pression atmosphérique sur Mars. Contrairement à l’idée d’un continuum, cependant, les scientifiques avaient observé une absence inexplicable d’ondulations avec des crêtes espacées de 8 à 30 pouces.
Lapôtre et d’autres scientifiques ont suggéré que les formes pourraient résulter d’une instabilité hydrodynamique déjà connue pour produire des dunes soufflées par le vent dans les déserts et des monticules ondulants similaires dans les lits de rivières sablonneux sur Terre.
Les chercheurs ont également émis l’hypothèse que la taille des plus grandes ondulations et dunes martiennes, et des ondulations qui se forment sous l’eau sur notre propre planète, pourraient toutes être contrôlées par le même changement, ou anomalie, dans le flux d’air ou d’eau. Ce changement, qui ne survient qu’après que les monticules ont dépassé une certaine taille, résulterait de l’interaction entre les propriétés atmosphériques globales telles que la densité et les facteurs locaux tels que la topographie et la vitesse de cisaillement du vent.
Mais jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient émis l’hypothèse de l’existence de l’anomalie qu’à partir d’expériences étroitement contrôlées. Il n’avait pas été observé dans l’environnement complexe des dunes naturelles.
Reconnaissance des dunes
Avec l’auteur principal Lior Rubanenko, Lapôtre et ses collègues ont entrepris de tester ces théories avec des données de Mars, en s’appuyant sur les travaux antérieurs de Lapôtre reliant la taille des ondulations à la densité atmosphérique par une analyse statistique. C’est la première fois que des scientifiques utilisent des données réelles de la planète rouge pour tester – et, en fin de compte, confirmer – la prédiction de la théorie hydrodynamique selon laquelle la taille des plus petites dunes de Mars, tout comme ses ondulations, devrait diminuer là où la l’air est plus épais.
Les auteurs ont utilisé plus de 130 000 images haute résolution de Mars capturées par des engins spatiaux et un modèle de vision par ordinateur basé sur l’IA développé pour la première fois pour sélectionner des instances distinctes de différents types d’objets à partir d’un arrière-plan – les contours, par exemple, de trois personnes, un bus, et deux voitures présentes sur une photo d’une rue de la ville. L’équipe de Stanford a étiqueté manuellement les dunes dans un petit sous-ensemble d’images, puis a utilisé ces exemples pour former le modèle afin de détecter les contours des dunes et d’estimer la taille des dunes sur la majeure partie de la surface martienne.
Les auteurs ont analysé ce vaste nouvel ensemble de données, ainsi que des calculs de densité atmosphérique sur Mars. Ce qu’ils ont découvert, c’est que les vagues curieusement de taille moyenne ne sont pas du tout des ondulations d’impact. Au lieu de cela, les structures distinctes sur Mars ressemblent davantage à des dunes miniatures qui cessent de croître à un certain point parce que l’anomalie ou le changement prévu dans le flux d’air fluide se produit dans l’atmosphère très fine et turbulente près de la surface de Mars.
« Les ondulations d’impact se forment sur Mars exactement comme sur Terre, et ont plus ou moins la même taille », a déclaré Rubanenko, qui a travaillé sur l’étude en tant que chercheur postdoctoral en sciences géologiques à Stanford. « Cela a du sens, puisque le mécanisme qui forme les ondulations d’impact a moins à voir avec les propriétés de l’atmosphère et plus avec la mécanique du transport du sable. »
« Maintenant que nous savons comment la taille de ces ondulations varie avec la densité atmosphérique et pourquoi, nous pouvons utiliser la taille des ondulations fossilisées dans de très vieilles roches pour reconstruire l’histoire de l’atmosphère de Mars », a déclaré Lapôtre.
Plus d’information:
Lior Rubanenko et al, Un régime distinct de formation d’ondulations sur Mars révélé par la morphométrie des dunes barkhaniques, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-34974-3