Среди горных дюн и небольшой волнистой ряби на пустынной поверхности Марса есть песчаные структуры среднего размера, которые не совсем похожи ни на что на Земле.

Ученые Стэнфордского университета теперь использовали модель искусственного интеллекта для анализа миллиона марсианских дюн и выяснили, как эти песчаные волны формируются на нашей родной планете в масштабе — примерно 1 метр между гребнями — который ранее казался несовместимым с физикой возникновения ряби и дюн на Земле.

Результаты, опубликованные 22 ноября в Nature Communications, предполагают, что ученые в будущем могут использовать окаменелые версии этих структур для реконструкции истории атмосферы Марса. Это потому, что существует точная и последовательная математическая зависимость между плотностью атмосферы и размером гонимых ветром волн и дюн во всех масштабах, кроме самых маленьких.

"Это особенно важно, потому что считается, что в прошлом на Марсе была более плотная атмосфера, возможно, поддерживавшая условия на поверхности, подобные земным", - сказал старший автор исследования Матье Лапотр, доцент кафедры геологических наук в Стэнфордской школе устойчивого развития Doerr. "Однако он потерял большую его часть, и мы действительно не знаем, когда, как быстро и почему".

Продукт воздушного потока или крошечные торпеды?

Как на Земле, так и на Марсе уносимые ветром песчинки скапливаются в холмики разных форм и размеров, начиная от дюн, простирающихся на многие мили, и заканчивая крошечными грядами, едва достаточными для того, чтобы спрятать рака-отшельника. На Земле гребни этих небольших волн обычно расположены на расстоянии нескольких дюймов друг от друга. Они распространены в пустынях, на пляжах и в песчаниках, сохранившихся как отпечатки древних ветров. Ученые называют их "ударной рябью", потому что они возникают в результате того, что уносимые ветром зерна разбиваются о песчаные насыпи, как крошечные торпеды.

В 2015 году марсоход Curiosity НАСА вернул изображения аналогичных узоров на поверхности Марса. В дополнение к гигантским дюнам, изображения показали меньшие волны в двух различных масштабах: некоторые были близки к размеру ударной ряби, характерной для зерен аналогичного размера на Земле; другие были примерно в 10 раз больше — но все же меньше дюн, которые формируются скорее воздушным потоком, чем ударами песка.

То, как эти две различные шкалы пульсаций сосуществовали и коэволюционировали на Марсе, с тех пор озадачивает ученых. Согласно одному из предложенных объяснений, структуры среднего размера являются результатом непрерывного роста ударной ряби, вызванной очень низким давлением воздуха на Марсе. Однако, вопреки идее континуума, ученые наблюдали необъяснимое отсутствие ряби с гребнями, расположенными на расстоянии от 8 до 30 дюймов друг от друга.

Лапотр и другие ученые предположили, что эти формы могут быть результатом гидродинамической нестабильности, которая, как уже известно, приводит к образованию раздуваемых ветром дюн в пустынях и подобных волнистых насыпей в песчаных руслах рек на Земле.

Исследователи также предположили, что размер более крупных марсианских волн и дюн, а также ряби, которые образуются под водой на нашей собственной планете, могут контролироваться одним и тем же сдвигом или аномалией в потоке воздуха или воды. Этот сдвиг, который возникает только после того, как насыпи достигают определенного размера, может быть результатом взаимодействия глобальных свойств атмосферы, таких как плотность, и местных факторов, таких как топография и скорость сдвига ветра.

Но до сих пор ученые только выдвигали гипотезы о существовании аномалии на основе строго контролируемых экспериментов. Это не наблюдалось в сложной среде естественных дюн.

Распознавание дюны

Вместе с ведущим автором Лиором Рубаненко Лапотр и его коллеги решили проверить эти теории на данных с Марса, опираясь на предыдущую работу Лапотра, связывающую размер пульсаций с плотностью атмосферы посредством статистического анализа. Это первый случай, когда ученые использовали реальные данные с Красной планеты, чтобы проверить — и, как оказалось, подтвердить — предсказание гидродинамической теории о том, что размер самых маленьких дюн Марса, как и его ряби, должен уменьшаться там, где воздух толще.

Авторы использовали более 130 000 изображений Марса с высоким разрешением, сделанных космическими аппаратами, и впервые разработанную модель компьютерного зрения на основе искусственного интеллекта, чтобы выделить отдельные экземпляры различных типов объектов на заднем плане - например, очертания трех человек, автобуса и двух автомобилей, присутствующих на фотографии городская улица. Команда из Стэнфорда вручную нанесла метки на дюны на небольшом подмножестве изображений, а затем использовала эти примеры для обучения модели обнаружению контуров дюн и оценке размеров дюн на большей части поверхности Марса.

Авторы проанализировали этот обширный новый набор данных, а также расчеты плотности атмосферы на Марсе. Что они обнаружили, так это то, что удивительно средние волны вовсе не являются ударной рябью. Вместо этого отдельные структуры на Марсе больше похожи на миниатюрные дюны, которые перестают расти в определенный момент, потому что предсказанная аномалия или сдвиг в потоке воздуха, похожем на жидкость, возникает в очень тонкой, турбулентной атмосфере вблизи поверхности Марса.

"Ударная рябь образуется на Марсе точно так же, как и на Земле, и имеет более или менее тот же размер", - сказал Рубаненко, который работал над исследованием в качестве аспиранта по геологическим наукам в Стэнфорде. "Это имеет смысл, поскольку механизм, который формирует ударную рябь, имеет меньше общего со свойствами атмосферы и больше с механикой переноса песка".

"Теперь, когда мы знаем, как размер этих рябей меняется в зависимости от плотности атмосферы и почему, мы можем использовать размер окаменелых рябей в очень старых породах для реконструкции истории атмосферы Марса", - сказал Лапотр.