2006年10月3日，NASA的火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter）拍摄的火星子午高原（Meridiani Planum）维多利亚撞击坑（Victoria Crater）内的沙子被风吹成涟漪。
图片来源：NASA/喷气推进实验室-加州理工（JPL-Caltech）/亚利桑那大学（University of Arizona）/康奈尔（Cornell）/俄亥俄州立大学（Ohio State University）
身处火星或金星表面是一种怎样的体验？如果是在更远的地方，比如冥王星或者土卫六“泰坦”（Titan）上又是如何呢？
自65年前“斯普特尼克”1号（Sputnik 1）发射以来，这种好奇心推动着太空探索的进步，但遗憾的是，对于太阳系中其他行星体表面信息，我们刚刚才开始“隔靴搔痒”式的探索。
发表在《自然-天文学》（Nature Astronomy）上的新研究表明，如果你站在遥远的行星体上，沙丘或许能作为你的“感官替身”，替你体验在某颗星球上你可能经历的天气和环境。
一粒沙里有什么？
英国文学史上最重要的伟大诗人之一威廉·布莱克（William Blake）有一句著名的诗， “一沙一世界”（to see a world in a grain of sand），在这项新研究中，研究人员采取这句诗的字面理解作为研究方式：利用沙丘的存在来了解行星体表面所存在的条件。
要使沙丘存在，必须满足一对“金发姑娘”（Goldilocks，儿童故事《金发姑娘和三只熊》中的主人公）标准：首先得存在充足的可侵蚀又具有耐用性的沙粒，然后还必须有足够快的风让这些沙粒能飞越星球表面，但又不能快到将它们带到高空进入大气中。
到目前为止，对于风和沉积物的直接测量我们只在地球和火星上实现了，不过，人类已经通过卫星观察到了多个其他天体（甚至彗星）上风吹过的沉积物特征。这些天体上存在这样的沙丘就意味着它们满足“金发姑娘”标准。
卫星对地球、火星、土卫六“泰坦”、金星、冥王星和海卫一“崔顿”上（从左上角开始顺时针顺序）的风吹特征进行了成像。
图片来源：Gunn, A., Jerolmack, D.J. (2022)
新研究的工作重点是金星、地球、火星、土卫六“泰坦”、海卫一“崔顿”（Triton）和冥王星，科学家对于这些星体的各种未决争论已经持续了几十年：
· 海卫一和冥王星表面上存在明显的风吹特征，但为什么它们的大气层稀薄而又脆弱？
· 为什么我们在火星上看到了如此多产的沙尘活动，而测到的风似乎又太弱无法维持这样的活动？
· 金星厚实而闷热的大气层是否会以类似于地球上空气或水的移动方式来移动沙粒？
“好奇”号（Curiosity）火星车拍摄了火星上巴格诺尔德沙丘群（Bagnold Dunes）上风吹起的涟漪。
图片来源：NASA/喷气推进实验室-加州理工/马林空间科学系统公司（MSSS）
推动争论
新研究预测了在这些天体上移动沉积物所需的风，以及沉积物在这些风中分解的难易程度。
预测的构建基于大量其他论文的研究结果，研究人员根据所能获得的所有实验数据对预测进行测试。然后，利用望远镜和卫星对引力、大气成分、表面温度和沉积物强度等变量的测量，他们将这些理论应用到了六个天体中的每一个。
此前的研究关注的是移动沙粒所需的风速阈值，或各种沉积物颗粒的强度，新的研究则将这些结合在了一起，即研究沙粒在沙尘运输天气中在这些天体上分解的难易程度。
例如，已知的是土卫六的赤道有沙丘，而未知的是位于赤道周围的是什么沉积物，是从大气中倾泻而下的纯粹的雾状有机物，还是有机物加更稠密的冰的混合物？
新研究结果发现，这种松散的“有机雾”聚集体如果在土卫六赤道被风吹散，就会在碰撞时分崩离析。这意味着土卫六的沙丘可能不是由纯粹的“有机雾”构成的，沙丘形成的一个前提是，沉积物必须长时间经受风的吹拂（地球上的一些沙丘已经有一百万年的历史了）。
新研究还发现，冥王星上的风速必须非常之快，才能够“托运”甲烷或氮冰，即科学家假设的冥王星沙丘沉积物的组成。这让人不得不质疑冥王星斯普特尼克平原（Sputnik Planitia）上的“沙丘”是否真的是沙丘。
它们可能其实是升华波（sublimation wave），也就是在湍流风下物质升华生长成的沙丘状地貌，而不是沉积物侵蚀形成的，例如我们在火星北极冠（polar cap）上发现的就是沉积物侵蚀而来的沙丘。
新研究的结果表明，火星上的风运输沙粒产生的尘埃比地球上的更多，这说明我们的火星大气模型可能无法有效地捕捉到火星强烈的“下沉”风，也就是夜间向下吹的低温阵风。
太空探索的潜力
这项研究正处于太空探索的一个有趣阶段。
对于火星，我们有相对丰富的观测，五个航天机构正在轨道上或火星表面进行着探索任务，像这样的研究有助于为这些任务制定和调整目标，为“毅力”号（Perseverance）和祝融号等火星车行进路径的制定提供信息。
在太阳系的外围，自1989年美国航空航天局（NASA）“旅行者”2号（Voyager 2）飞越海卫一以来，这颗海王星最大的卫星一直没有得到详细的观测。目前已经有了一个任务提案，如果被选中，将有一个探测器在2031年发射前去研究海卫一，最终坠毁入海王星大气层。
未来十年，计划对金星和土卫六进行探索的任务将彻底改变我们对这两颗星体的理解。NASA 的“蜻蜓”（Dragonfly）任务计划于2027年离开地球，于2034年抵达土卫六，它将在这颗卫星的沙丘上降落一架直升机。NASA正在进行的“新视野”（New Horizons）任务在2015年飞越冥王星时观察到了冥王星，但没有返回的计划。
原文作者：
安德鲁·冈恩（Andrew Gunn）
澳大利亚莫纳什大学（Monash University）讲师，研究论文的第一作者
参考来源：
[1]https://theconversation.com/whats-it-like-to-be-on-venus-or-pluto-we-studied-their-sand-dunes-and-found-some-clues-181241
[2] Gunn, A., Jerolmack, D.J. Conditions for aeolian transport in the Solar System. Nat Astron(2022).
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