太陽系の波打つ砂丘を探検する

Nov 13, 2023

砂丘は太陽系を横切り、ほんの少しそよ風が吹いただけでもあらゆる世界に吹きだまりを築きます。 岩や氷のかけらで構成された、私たちがよく知っている地球上の地物のように見えるものもあれば、有機材料だけで作られたはるかに異質なもののように見えるものもあります。 火星から冥王星、小さな彗星まで、科学者が観察した多種多様な砂丘は、地球上で砂丘がどのように形成されるかについての未解決の疑問を洗練するのに役立つ可能性があるとともに、遠い世界の過去と現在の状況についての情報も提供する可能性があります。

砂丘のパターンを研究すると、物体の表面の組成についての洞察が明らかになるだけでなく、その大気の歴史を示唆することもできます。 大気が薄いと粒子を空中に投げるのが難しくなります。そのため、古代の砂丘は、より厚いガスが世界を覆っていたときに、どのようにして空から砂が降ったのかを明らかにすることができます。 これは、時間の経過とともに重い大気がゆっくりと抜け出す火星のような天体や、太陽の周りを移動するにつれて大気の密度が増減する冥王星のような天体では重大な問題となる可能性があります。

砂丘の作り方

地球では、砂は通常、石英を浸食することによって形成されます。 しかし、貝殻、サンゴ、炭酸塩、火山灰、さらには氷も含まれる場合があります。 つまり、砂は海岸や砂漠だけでなく、南極の凍った不毛地帯でも発達し、定着する可能性があるということです。 さらに、砂の定義は組成とはまったく関係がなく、すべてはサイズと輸送方法、つまり空中に浮くほど十分に小さく軽い粒子です。 地球では、直径は約 0.0025 ～ 0.08 インチ (0.06 ～ 2 ミリメートル) です。 重力が小さい他の世界では、砂の粒子が大きくなる可能性があります。

では、砂の粒子から波打つ砂丘まではどのようにして変化するのでしょうか? 砂丘の鍵は風です。 ユタ州ブリガムヤング大学のジャニ・ラデボー氏は、「空気分子の動きが存在する限り、私たちは最終的に風成野、つまり風によって堆積した砂によって彫刻された風景に行き着く」と語る。 (アイオリアンとはギリシャの風の神アイオロスを指します。)

組成の多様性にもかかわらず、地球上の砂丘はすべてほぼ同じ条件で形成され、主に重力によって制限され、砂がどこまで飛べるかに影響します。 科学者たちは、砂丘に覆われた太陽系の多種多様な世界を観察することで、砂丘がどのように形成され、移動するのかの核心を解明したいと考えている。 基本的な考え方は単純です。風によって砂が地表全体に運ばれ、最終的には砂丘に積み上げられます。 しかし、細部が厄介なところです。 砂は流体力学モデルに従っており、水中を泳ぐのと同じように空気中を移動して、水で彫られた砂丘を作り出しているのでしょうか? それとも、風によって持ち上げられた最初の砂粒が他の砂粒を蹴り上げ、その後さらに砂粒が舞い上がるという衝撃メカニズムのモデルに従うのでしょうか？

カリフォルニア州パサデナのジェット推進研究所の研究者セリーナ・ディニエガ氏によると、予測結果が非常に似ているため、地球上で 2 つのモデルを区別するのは困難です。 しかし、別の世界に砂丘を建設するなどして気圧と重力を変更すると、どのモデルが正しいかについてより大きな洞察が得られるはずです。 「他の天体の砂丘を他の条件で見つけることは、地球上ではテストできないモデルを区別するのに役立ちます」と彼女は言います。

幸いなことに、太陽系には砂丘がたくさんあります。

1970 年代初頭、NASA が周回するマリナー 9 号は、火星を地球の月と同様に死んだ不変の世界として示しているように見えました。 数年後、バイキングのミッションが火星の高解像度画像の撮影を開始して初めて、その景色から砂丘を含む活動的なプロセスが明らかになりました。

火星の砂のほとんどは火山起源であると考えられます。 岩の多い玄武岩は、今では消滅して久しい火山が数百万年かけて直径約 0.002 ～ 0.02 インチ (0.05 ～ 0.5 mm) の粒子に侵食されて爆発的に飛来しました。 遠い過去に水が地表を一時的に流れた可能性があり、岩石の一部が砂に分解された可能性がありますが、現在では風が最も一般的な浸食源となっています。 ただし、岩を砂に侵食する場合、風は水に比べて非効率的です。 このことから、火星の砂はどれくらい古いのかという疑問が生じます。水が地表を横切って流れたときにすべて形成されたのでしょうか、それとも現在でもさらに多くの砂が生成されているのでしょうか? 風化した粒子が堆積岩を形成し、後に砂に戻るため、砂の少なくとも一部はリサイクルされるが、そのほとんどは砂に戻るとディニエガ氏は推測しているが、砂粒子は十分な回数衝突した後、粉塵に分解され、地質学者は一般にこれを粒子と定義する約0.0025インチ（0.06mm）より小さい。 したがって、火星にまだ砂があるという事実は、砂丘の動きが低い（衝突が少ない）か、現在推定されているよりも進行中の浸食が存在していることを示唆しています。

2016年、NASAの探査機「キュリオシティ」は砂丘のクローズアップ画像を撮影し、火星上でどれだけ大きな砂が成長できるかについて、惑星の特徴に基づく予測を裏付けた。 火星の砂は地上の砂とほぼ同じ大きさですが、重力が弱いため、空気が薄い中でも軽い砂が飛び、砂丘を形成します。

その飛行は風速に依存します。風洞実験によると、火星で砂粒を移動させるには、地球上の同じ砂粒に必要な突風よりも 10 倍強い突風が必要です。 しかし、砂が動き始めると、地球の重力が低いため、動きを続けるのは簡単です。 イタリア国立天体物理学研究所（INAF）の研究者シモーネ・シルベストロ氏は、「火星にとって未知の大きな点は、砂の移動を開始するのに必要な基準だ」と語る。

何十年もの間、科学者たちは火星で見た砂丘は、より厚い大気とより強い風を特徴とする過去の古代の遺物であると疑っていました。 2019年にシルベストロ氏らがNASAのマーズ・リコネッサンス・オービターを使用して、火星の赤道近くを這う砂丘を撮影したことで状況は変わった。 研究チームは、2つの異なる場所で7年以上離れて撮影された画像を比較することにより、これらの巨大なリップル（高さ約3フィート（1メートル）で砂丘の中で最大のもの）が年間約4インチ（10センチメートル）の速度で進んでいることを確認した。 。

現在でも、科学者たちは火星の表面風がどれほど強いのかを確信していません。 彼らは地形や地形の形成方法に基づいて地球規模の風のパターンを計画しているが、惑星の大気測定の大部分は周回衛星によって行われており、それは上層大気の観測に限られている。 一方、着陸船や探査車は地上での風速情報しか提供できません。 これにより、大気の測定値が空の空の広い範囲が残ります。

理想的には、探査車や着陸船は時間を決めてスナップショットするのではなく、一箇所に座り、砂の動きを常に見つめることになるとディニエガ氏は言う。 そうすれば研究者はモデルを真実に基づいて根拠づけることができるようになるだろう。 風が強く、塵が多い空気がロボット探査機を詰まらせて損傷する可能性があることを考えると、風速と砂丘の動きを測定するために人間を地球に派遣する方がさらに良いだろうとシルベストロ氏は言う。

地球の双子とも呼ばれる金星は、地表に砂丘があると最も期待される惑星かもしれません。 結局のところ、厚い大気は砂を吹き上げる風の確率を劇的に高めることができ、金星の大気は私たちの惑星よりも 90 倍密度が高いのです。 しかし、金星の上層大気は猛スピードで進んでいますが、表面の風は時速数マイルで通り過ぎます。 そのため、金星の砂丘はまばらに見えます。

しかし、この不足の理由の 1 つは、良い画像が不足していることかもしれません。 金星を探査するためにいくつかのミッションが送られてきましたが、この惑星の厚い大気は、表面を垣間見ること、または金星で生き残ることをさらに困難にしています。 ほとんどの写真は、地球や周回宇宙船から捉えたレーダー画像であり、科学者らが火星のような視覚的なスナップショットに匹敵するものではありません。 1990 年代初頭、NASA のマゼラン計画はレーダーで惑星のほぼ全体の地図を作成し、2 つの小さな砂丘地帯の最初のかすかなヒントを明らかにしました。 科学者らは、レーダー信号が惑星の南部地域に長さ数センチメートルの「微小砂丘」の存在を示唆していると推測しているが、そのような特徴の明確な証拠は依然として隠されたままである。

さらに、金星で砂を作ること自体が困難です。 同じ厚い大気は、砂として機能する灰を生成する可能性のある爆発的な火山プロセスを弱めます。 そしてこの惑星には、岩石の表面から小さな粒子を削り出すのに必要な液体の水が不足している。 金星の砂のほとんどは、衝撃が地表に衝突し、物質が巻き上げられたときに形成されたと考えられています。 たとえ砂が形成されたとしても、研究によると、高温により粒子が溶け合って扱いにくい塊となり、地表での風がほとんどない場合には飛べないほど大きくなる可能性があることが示されています。

マゼラン宇宙船は、レーダーを使用して金星の表面の約 98 パーセントを地図に記録しました。 表面地形の異なる反射特性を特徴とする小さな砂丘のような地物が、アル・ウザ・ウンダエのこの部分を含む地球上の少なくとも 2 つの小さな野原に現れます。

また、約5億年前に地球規模の再表面現象が起こり、古代の砂丘の痕跡が一掃された可能性もあります。 火山の噴火により地表全体に溶岩が噴出し、クレーターや砂丘が消去され、より最近のタイムスケールではわずかに傷がついただけのきれいな石板が形成されました。

金星が砂丘を隠しているなら、すぐに明るみに出てしまうかもしれません。 2021 年、NASA は VERITAS と DAVINCI という 2 つの新しい金星ミッションを発表し、欧州宇宙機関は 3 つ目の EnVision の計画を明らかにしました。 このトリオは2030年代に地球の探査を開始するはずだ。

土星の衛星タイタン

土星の衛星タイタンは、有機的な霧とメタン湖を備えており、太陽系で地球以外にその表面に液体が存在することが知られている唯一の世界である。 しかし、研究者らは1980年代にメタンとエタンの湖ができると予測していたが、世界にはタール状の炭化水素でできた潜在的に粘着性の堆積物があるため、風に吹かれる砂丘の可能性は低いと考えられていた。

したがって、2006 年に NASA のカッシーニ計画が月の中緯度に広がる風成砂丘を明らかにしたときは驚きでした。 メリーランド州ローレルにあるジョンズ・ホプキンス応用物理研究所の砂丘専門家ラルフ・ローレンツ氏は、「それらはタイタンのほぼ決定的な特徴だ」と語る。

最大の驚きの 1 つは、タイタンの砂丘が通常の穏やかな風の動きとは反対の方向に地表を横切って広がっているという事実でした。 タイタンの風は、春分の間に一時的に流れを逆転させ、さらに強くなることが判明しました。 こうした逆向きの季節風は、一年の他の時期に吹く弱い風よりも砂丘を形成する可能性が高くなります。

地球や火星の砂は時間の経過とともに摩耗した物質からできていますが、タイタンの砂は空から雨として降ってくる可能性があります。 正確な組成が謎のままである有機物の塊であるトーリンは、タイタンの表面を覆い、月の大気中の雲や霧を構成しています。 この物質は空から落ちるときに互いにくっついて砂サイズの粒子を形成し、その後砂丘に吹き飛ばされる可能性があります。 しかし、そのようなプロセスが有機材料でどのように機能するかは十分に理解されていません。

「現時点での未解決の疑問は、もやの粒子が互いにくっつき、そのように砂サイズの粒子を作る何らかの凝集プロセスが起こっているのかということだ」とボルチモアのジョンズ・ホプキンス大学のタイタン研究者サラ・ホーストは言う。

あるいは、トーリンは堆積層を形成し、その後タイタンの流動する液体によって浸食される可能性があります。 あるいは、砂は、浴槽のリングのように、液体が蒸発した後に残った物質で構成されている可能性もあります。

タイタンのエキゾチックな環境により、砂丘の形成の詳細を特定することは困難です。 研究室でトーリンの実験を行っているホルスト氏によると、この奇妙な物質を理解する上での課題の 1 つは、タイタンの温度である華氏マイナス 297 度 (摂氏マイナス 183 度) で有機物質がどのように動作するかを解明することです。 「私たちが興味を持っているこれらの化合物の多くは、有毒か爆発性、あるいはその両方です」と彼女は言います。 ホースト研究所を含め、温度や化合物を扱うことができる研究所はたくさんありますが、安全性への懸念により別の問題が生じています。 「実験を行うための資金を得るのはさらに大きな課題です」と彼女は言う。

カッシーニがレーダーで地図を作成したタイタンの砂丘（上）は、地球のナミブ砂漠（下）で形成された砂丘と構造が似ているように見えます。 上の画像の明るい特徴は雲ではなく、レーダー画像で明るく見える地形です。

多くの疑問は、2034 年にタイタン探査を計画している NASA の飛行回転翼船ドラゴンフライ ミッションによって間もなく解決されるかもしれません。ホースト氏は、ドラゴンフライは「粒子がどのように作られるかを解明するのに役立つ、粒子に関するより複雑な情報」を提供する必要があると述べています。

Dragonfly は地表に留まるのではなく、さまざまな高度を探索するため、このミッションでは他の非地上世界よりも詳細に大気を読み取ることができます。 これは科学者がトーリンがどのように地形に吹き飛ばされるかを理解するのに役立つはずだ。 また、探査機は柔らかい砂に足を取られる可能性がある砂丘を避ける傾向があるが、トンボはある場所から別の場所へ飛行する能力があるため、砂丘を含む数多くの地表の特徴を研究できるようになるだろうとローレンツ氏は予想している。

冥王星の氷の砂丘

2015年にNASAのニューホライズンズミッションが冥王星を通過したとき、多くの研究者が太陽系の端にあると予想していた死の世界ではなく、驚くほど活発な準惑星を明らかにした。 探査機が撮影した簡単なスナップショットでは、冥王星の表面が比較的最近になって氷で削られ、科学者らはさまざまな地質学的特徴を特定した。

冥王星の最初の画像が公開されている間、ラデボー氏は惑星科学者仲間のマット・テフラー氏とフェイスブックでチャットしていた。 彼らがスナップショットの研究を始めると、現在トンボー地域と呼ばれているハート型の地形にある砂丘のような構造物が二人の目の前に飛び出した。 ラデボーにとって、それらはカリフォルニア州デスバレーにある砂丘に似ているように見えました。 「すぐにピンときました。『ああ、これは砂丘だ』と」と彼女は言います。

彼らはニューホライズンズチームに連絡を取り、地質グループと協力して地形を特定しました。 最初のリリース時に利用可能だった画像よりもさらに詳細に画像を調査した結果、それらの地物が砂丘と形状が一時的に類似している以上のものであることがわかりました。 この砂丘は他の研究者が特定した風の縞ともよく一致しており、縞を形成した風が砂丘を形成した風と同じ方向に吹いたことを示唆している。

他の世界と同様に、科学者にとっての最大の課題は、冥王星が砂丘を動かす最初の揚力をどのように生成するのかを解明することです。 冥王星の大気は信じられないほど薄く、おそらく薄すぎて地面から粒子を拾うことはできません。 「大気の密度が非常に低いため、物質を輸送する能力が低下するため、実際に計算を機能させるのは困難です」とホースト氏は言う。 それでは、粒子はどのようにして最初のジャンプを行っているのでしょうか?

ラデボーとテフラーは、その答えは砂丘の近くにある小さな穴の中にあると考えています。 冥王星は水だけでなくメタン、窒素、二酸化炭素からなる氷で覆われています。 メタンが地表に到達するにつれて、固体から気体に飛び移り、メタン分子が空気中に投げ込まれ、小さな穴が残ります。 ラデボーとテフラーは、それらの粒子が風によって砂丘に押し流されると考えています。

冥王星の表面の一部だけが画像化されており、そのうちのほんの一部に砂丘があるように見えます。 テフラー氏は、これは地元の景観のおかげかもしれないと言う。 「循環モデルによれば、我々が注目している地域は冥王星で最も風の強い場所であるはずだ」と彼は言う。 「この場所は、地形による熱と圧力による特性により、風を促進する可能性が高い場所です。」

しかし、この地物が砂丘であると断言できる十分な証拠がまだあると誰もが考えているわけではありません。 同じくINAFのフィリップ・クロダン氏は、「惑星の地形学のコミュニティでは、まだ議論が続いている」と語る。 テフラー氏とラデボー氏は、自分たちが発見したのは砂丘であると確信しているが、その地形の性質を確認するには遠く冥王星への別のミッションが必要となる可能性が高い。

火と氷

Nature Communications誌に4月19日に掲載された最近の論文では、NASAのガリレオ計画で得られた14年前の画像と穀物の移動のモデルを組み合わせて、太陽系で最も火山性の高い世界、木星の衛星イオで砂丘がどのように形成されるかを説明している。 この研究は、この月では、大気が薄いため風が弱く、岩の粒や霜がどのように運ばれないかを示しています。 代わりに、熱い溶岩が地下の二酸化硫黄 (SO2) の霜と混合すると、SO2 はガスに変わり、地表から排出されます。 筆頭著者であるラトガース大学のジョージ・マクドナルド氏はプレスリリースで、このガス放出は「イオ島の粒子を移動させるのに十分なほど高密度で高速であり、砂丘のような大規模な地形の形成を可能にする可能性がある」と述べている。

そして実際、ガリレオは月に砂丘のような特徴を発見しました。 研究者らは地物の寸法と頂上の間隔を詳しく調べ、これらの地層は地球を含む太陽系の他の場所で見られる砂丘に似ていると結論付けた。 「我々の研究は、イオが新たな『砂丘世界』である可能性を示している」とマクドナルド氏は語った。 「この研究は、砂丘が見られる環境が、地球の一部にある古典的で果てしなく続く砂漠の風景よりもはるかに多様であることを教えてくれます。」 — アリソン・クレズマン

惑星科学者たちが大気の薄い冥王星に砂丘を見つけて驚いたとしたら、大気がほとんど存在しない小さな彗星 67P/チュリュモフ・ゲラシメンコに砂丘があることを知って驚きました。

チュリュモフ ゲラシメンコはよくゴム製のアヒルに例えられますが、2 つの葉が首でつながっています。 この形状は、初期の太陽系物質の 2 つの別々の部分がゆっくりと結合した結果である可能性が最も高くなります。 欧州宇宙機関のロゼッタ宇宙船が2014年にチュリュモフ・ゲラシメンコの周囲の軌道に入ったとき、首と両葉に砂丘が現れ、大気をほとんどまたはまったく持たない天体がどうやって風に吹かれる特徴を持つことができるのかという疑問が生じた。

答えは彗星の中心から来ます。 彗星が太陽に近づくと、その核からの氷の物質がガスに変わり始め、表面に向かって進みます。 その過程で、氷が昇華して核の周りにコマと呼ばれる非常に薄いエンベロープを作成するときに放出される土の断片が運ばれます。 彗星の回転に伴う温度変化によって発生する風は、土を動かすのに十分なほど強い。 この小さな彗星では重力が弱いため、大きな粒子を浮遊させておくことが容易になります。 したがって、核内の物質は最終的に地面全体に塗りつけられ、「ほぼ自動的に」砂丘を形成すると、これらの砂丘を報告した研究の著者の一人であるクローディンは言う。

このような砂丘は、彗星が太陽の近くにある場合にのみ形成されます。 チュリュモフ・ゲラシメンコは、6.4 年の軌道にわたって、ほとんどの時間を太陽系のより涼しい領域、木星近くで過ごし、その表面は変化しません。 クローディン氏は、この彗星が活発に新しい砂丘を形成するのは、軌道ごとに約 2 週間だけであると推定しています。

しかし、チュリュモフ＝ゲラシメンコには特にユニークな点はない。 「私たちが見ているのはかなり一般的なものだと思います」とクローディンは言う。 それは、既知の数千の彗星、そして推定数十億の彗星が、太陽に近づくときにそれぞれ独自の砂丘を形成する可能性があることを意味する。 将来の宇宙船は、地表に形成されつつある砂丘や凍結した砂丘を探査できるよう、より適切に準備されるかもしれません。

しかし、彗星の雰囲気と同じように、証拠は希薄であると考える人もいます。 「私は一度も納得したことがありません」とホルスト氏は言う。 彼女は、惑星科学における共通の問題は、別の世界で見られる特徴と、それに似ている地球上の対応物との間の関連性であると述べています。 「私たちがよく知っているプロセスに似ているからといって、それが私たちがよく知っているプロセスであるとは限りません」と彼女は言います。 結局のところ、人間は目にしたものを識別して分類することを好みますが、特定の地物として認識しているもの (たとえば、砂丘) が、実は何もないことが判明することがあります。 火星で確認されたピラミッドと顔のことを考えてください。よく調べたり、別の角度から調べたりすると、それらは単なる岩です。

それにもかかわらず、太陽系の世界がより深く研究されるにつれて砂丘の形成についての理解がどのように変化したかについて論じた、エオリアン・リサーチに掲載された2017年の論文では、ディニエガ、ラデボー、シルベストロ、テフラーらは、砂丘を認識することが砂丘を特定するための第一歩であると主張している。 研究者らは、風に吹かれた地物を特定するための柔軟なポリシーを設定することで、これまで曖昧だった分類をより一貫性のあるものにしたいと考えている。 理想的には、金星や冥王星のような世界の砂丘の特定は、火星の砂丘と同様の経路をたどることになります。 ミッションが砂丘と思われる場所を観測したら、次世代探査機はより詳細な観測を行ってその特徴を研究し、個々の候補のパターンを分析して砂丘としての地位を確認または否定することができます。 その後のミッションでは、状況をさらに詳しく分類できます。

そして、他の世界（彗星を含む）の観察が続くにつれて、科学者たちは、他の場所で何が可能であるかをより良く感じ、地球上とその外で砂丘がどのように形成され移動するかのモデルを改良できるようにしたいと考えています。