Cómo la atmósfera delgada y turbulenta de Marte conduce a dunas de tamaño curioso

Entre las dunas montañosas y las pequeñas ondas ondulantes de la superficie desértica de Marte se encuentran estructuras de arena, de tamaño intermedio, que no se parecen a nada en la Tierra.

Los científicos de la Universidad de Stanford han utilizado ahora un modelo de IA para analizar un millón de dunas marcianas y descubrir cómo se forman estas ondas de arena en nuestro planeta hermano a una escala (aproximadamente 1 metro entre las crestas) que antes parecía incompatible con la física de cómo surgen las ondas y las dunas en Tierra.

Los resultados, publicados el 22 de noviembre en Comunicaciones de la naturaleza, sugieren que los estudiosos que vayan avanzando pueden utilizar versiones fosilizadas de estas estructuras para reconstruir la historia atmosférica de Marte. Esto se debe a que existe una relación matemática precisa y consistente entre la densidad atmosférica y el tamaño de las ondas y dunas arrastradas por el viento, excepto en las escalas más pequeñas.

«Esto es particularmente importante porque se cree que Marte solía tener una atmósfera más espesa en el pasado, lo que quizás mantenía condiciones superficiales similares a las de la Tierra», dijo el autor principal del estudio, Mathieu Lapôtre, profesor asistente de ciencias geológicas en la Escuela de Sostenibilidad Stanford Doerr. . «Sin embargo, perdió la mayor parte, y realmente no sabemos cuándo, qué tan rápido y por qué».

¿Un producto del flujo de aire o pequeños torpedos?

Tanto en la Tierra como en Marte, los granos de arena arrastrados por el viento se acumulan en montículos de diferentes formas y tamaños, que van desde dunas que se extienden por millas hasta pequeñas crestas apenas lo suficientemente altas como para esconder un cangrejo ermitaño. En la Tierra, las crestas de estas ondas más pequeñas suelen estar separadas por unas pocas pulgadas. Son comunes en los desiertos, en las playas y en las areniscas, preservadas como las huellas dactilares de los vientos antiguos. Los científicos las llaman «ondas de impacto» porque son el resultado de granos arrastrados por el viento que salpican montículos de arena como pequeños torpedos.

En 2015, el rover Curiosity de la NASA devolvió imágenes de patrones similares en la superficie de Marte. Además de las dunas gigantes, las imágenes mostraron ondas más pequeñas en dos escalas distintas: algunas eran cercanas al tamaño de las ondas de impacto familiares en granos de tamaño similar en la Tierra; otros eran unas 10 veces más grandes, pero aún más pequeños que las dunas, que están formadas más por el flujo de aire que por los impactos de la arena.

Cómo estas dos escalas onduladas distintas llegaron a coexistir y coevolucionar en Marte ha desconcertado a los científicos desde entonces. Según una explicación propuesta, las estructuras de tamaño mediano son el resultado del crecimiento continuo de las ondas de impacto, posibilitadas por una presión de aire muy baja en Marte. Sin embargo, contrariamente a la idea de un continuo, los científicos habían observado una ausencia inexplicable de ondas con crestas separadas entre 8 y 30 pulgadas.

Lapôtre y otros científicos han sugerido que las formas podrían ser el resultado de una inestabilidad hidrodinámica que ya se sabe que produce dunas arrastradas por el viento en los desiertos y montículos ondulados similares en los lechos arenosos de los ríos en la Tierra.

Los investigadores también han especulado que el tamaño de las ondas y dunas marcianas más grandes, y las ondas que se forman bajo el agua en nuestro propio planeta, podrían controlarse por el mismo cambio o anomalía en el flujo de aire o agua. Este cambio, que surge solo después de que los montículos crecen más allá de cierto tamaño, sería el resultado de la interacción entre las propiedades atmosféricas globales como la densidad y los factores locales como la topografía y la velocidad de corte del viento.

Pero hasta ahora, los científicos solo habían planteado la hipótesis de la existencia de la anomalía a partir de experimentos estrictamente controlados. No se había observado en el complejo entorno de las dunas naturales.

Reconocimiento de dunas

Junto con el autor principal, Lior Rubanenko, Lapôtre y sus colegas se propusieron probar estas teorías con datos de Marte, basándose en el trabajo anterior de Lapôtre que relaciona el tamaño de la ondulación con la densidad atmosférica a través del análisis estadístico. Esta es la primera vez que los científicos utilizan datos reales del planeta rojo para probar y, como resultado, confirmar, la predicción en la teoría hidrodinámica de que el tamaño de las dunas más pequeñas de Marte, al igual que sus ondas, debería disminuir donde el el aire es mas denso.

Los autores utilizaron más de 130 000 imágenes de alta resolución de Marte capturadas por naves espaciales y un modelo de visión por computadora basado en inteligencia artificial desarrollado por primera vez para seleccionar instancias distintas de diferentes tipos de objetos de un fondo: los contornos, por ejemplo, de tres personas, un autobús y dos coches presentes en una foto de una calle de la ciudad. El equipo de Stanford etiquetó manualmente las dunas en un pequeño subconjunto de imágenes, luego usó esos ejemplos para entrenar el modelo para detectar los contornos de las dunas y estimar los tamaños de las dunas en la mayor parte de la superficie marciana.

Los autores analizaron este vasto conjunto de datos nuevos, junto con los cálculos de la densidad atmosférica en Marte. Lo que encontraron fue que las olas curiosamente de tamaño mediano no son ondas de impacto en absoluto. En cambio, las distintas estructuras en Marte son más como dunas en miniatura que dejan de crecer en cierto punto porque la anomalía prevista o el cambio en el flujo de aire fluido surge en la atmósfera turbulenta y muy delgada cerca de la superficie de Marte.

«Las ondas de impacto se forman en Marte exactamente como lo hacen en la Tierra, y tienen más o menos el mismo tamaño», dijo Rubanenko, quien trabajó en el estudio como becario postdoctoral en ciencias geológicas en Stanford. «Esto tiene sentido, ya que el mecanismo que forma las ondas de impacto tiene menos que ver con las propiedades de la atmósfera y más con la mecánica del transporte de arena».

«Ahora que sabemos cómo varía el tamaño de estas ondas con la densidad atmosférica y por qué, podemos usar el tamaño de las ondas fosilizadas en rocas muy antiguas para reconstruir la historia de la atmósfera de Marte», dijo Lapôtre.