在这幅由NASA火星勘测轨道飞行器摄于2006年10月3日的照片中，Meridiani平原的Victoria陨石坑中由于风成作用出现了沙层涟漪。
（图片来源：NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/Cornell/Ohio State University）
火星和金星的地形地貌是什么样的？（距地球）更远的冥王星和土星的卫星土卫六的地形地貌又是什么样？
自斯普特尼克1号于65年前（1957年）发射以来，人类对未知的好奇不断推动着太空探索的进步。不过，我们对太阳系其它行星表面环境的探索也才刚刚开始。
我们发表于《自然·天文》（Nature Astronomy）的新研究揭示了沙丘，这一看似不可能用作遥远行星气候与环境研究的地貌特征，是如何“发光发热的”。
沙中世界？
英国诗人William Blake有一句名言：“to see a world in a grain of sand（节选自诗歌“Auguries of Innocence”，徐志摩将其译作‘一沙一世界’）。”我们的研究恰恰从字面上契合了这句诗，即单纯根据行星表面的沙丘分析其环境。
沙丘的存在需要满足两个“Goldilocks”条件：首先沙粒的硬度要刚刚好，易受侵蚀的同时又相对耐磨；其次是风速刚刚好，既要能吹动沙粒跃过地面，又不能太快而将沙粒卷入大气。
迄今为止，只有地球和火星表面的风和沉积物能够被直接测量。不过，借助卫星我们已经在许多其他天体（甚至彗星）表面观测到了风吹沉积物特征。这些天体上频繁出现的沙丘意味着Goldilocks条件得到了满足（即沙粒硬度和风速恰到好处）。
我们的研究覆盖了金星、地球、火星、土卫六、海卫一（海王星最大的卫星）和冥王星。有关这些天体的悬而未决的辩论已经持续了几十年。
卫星拍摄到的（左上起，顺时针方向），地球、火星、土卫六、金星、冥王星和海卫一表面的风吹特征。
（图片来源：Nature Astronomy/Image adapted from Gunn and Jerolmack(2022)）
那么海卫一和冥王星表面明显的风吹特征和它们稀薄的大气存在什么关联呢？为什么在火星上也能观测到丰富的沙尘活动？尽管火星上测量到的风力似乎微弱得无法维持这些活动。另外，金星上厚厚的温热大气是不是也像地球上的空气和水那样输运沙粒呢？
争论继续
我们的研究提供了在地球等行星中输运沉积物所需的风力预测，并阐明了沉积物在这些条件下极易破碎。通过整合其他论文的研究结果，我们给出了上述预测，并用目前能获得的所有实验数据进行测试。
接着我们分析了望远镜和卫星测量得到的一系列数据，包括引力、大气组分、表面温度和沉积物强度等，将上述理论应用于前文提到的地球等六颗行星上。
在先于我们的研究中，讨论的要么是输运沙粒的风速阈值要么是各种沉积物颗粒的强度。我们的工作则将这些研究整合，讨论了在上述天体的扬沙天气下，其表面（沉积物）颗粒的易碎程度。
打个比方，土卫六的赤道上有沙丘，但我们不确定这些环绕赤道的沉积物的组分：究竟仅仅是从大气中沉降的有机雾霾，还是掺杂了密度更大的冰？结果我们发现，假如土卫六赤道上的物质是有机雾霾组成的松散聚集体，那么当有风吹过时，它们将在相互碰撞中破碎（而无法形成沙丘）。
“好奇号”火星车拍到的位于Bagnold沙丘的风吹涟漪。（图片来源：NASA/JPL-Caltech/MSSS）
这表明土卫六上的沙丘可能不是仅由有机雾霾组成的，（因为）在形成沙丘的过程中，沉积物需要经历长时间的风吹作用（地球上部分沙丘形成于100万年以前。）
我们还发现，冥王星上的风速必须足够高才足以搬运甲烷冰或氮冰（它们是冥王星上沙丘沉积物的可能组分。）由此引发了一个问题：位于冥王星斯普特尼克平原上的“沙丘”究竟能否称为沙丘？它们可能是升华波，即材料升华形成的沙丘状地貌（例如火星北极冰盖），而非由沉积物侵蚀形成。
对火星的研究表明，火星上风对沙粒的输运作用会比地球上产生更多的灰尘。这意味着我们的火星大气模型可能无法有效模拟火星上强烈的“下降”风（夜间吹向地面的寒冷灰尘。）
太空探索的潜力
这项研究正值太空探索的一个有趣阶段。我们拥有相对丰富的火星观测数据，目前有五家太空（探索）机构执行在轨或实地探测任务。诸如我们这样的研究能够为这些任务提供目标天体的信息，并帮助“毅力号”和“祝融号”等火星车规划路径。
自1989年NASA的旅行者2号成功飞掠以来，我们还未仔细观测过位于太阳系边缘的海卫一。目前关于此有一项任务提案，若被采纳，2031年将发射一枚探测器研究海卫一，并在任务结束后飞入海王星大气自毁。
未来十年针对金星和土卫六的观测计划将会革新我们对这两颗天体的理解。NASA的“蜻蜓号”任务，预计将于2027年发射并在2034年到达土卫六，届时将在其沙丘上方释放一个无人直升机。
“蜻蜓号”任务艺术概念图。（图片来源：NASA）
NASA的“新视野号”曾于2015年飞掠并观测冥王星，但其没有返回任务。
作者：Andrew Gunn
翻译：张宇哲
审校：董子晨曦
引进来源：The Conversation
本文来自：中国数字科技馆
本文是中国数字科技馆(www.cdstm.cn)原创内容，转载请注明出处和作者，否则我们将依法追究侵权责任。
[责任编辑：环球科学]
京公网安备11010502039775号
