Explorando las ondulantes dunas de nuestro sistema solar

May 01, 2023

Las dunas de arena recorren el sistema solar, creando derivas en cualquier mundo incluso con la más mínima brisa. Algunas se parecen a las características con las que estamos familiarizados en la Tierra, compuestas de trozos de roca o hielo, mientras que otras parecen mucho más extrañas, construidas únicamente a partir de material orgánico. Desde Marte hasta Plutón y pequeños cometas, la amplia variedad de dunas que ven los científicos puede ayudar a refinar las preguntas pendientes sobre cómo se forman las dunas en la Tierra, además de proporcionar información sobre las condiciones pasadas y presentes en mundos distantes.

El estudio de los patrones de las dunas puede revelar no solo información sobre la composición de la superficie de un cuerpo, sino también pistas sobre su historia atmosférica. Las atmósferas más delgadas dificultan el lanzamiento de partículas al aire, por lo que las dunas antiguas pueden revelar cómo llovió arena del cielo cuando gases más espesos cubrieron un mundo. Esto puede ser crítico en cuerpos como Marte, cuya fuerte atmósfera escapó lentamente con el tiempo, y Plutón, cuya densidad atmosférica crece y se reduce a medida que viaja alrededor del Sol.

Cómo construir una duna

En la Tierra, la arena se construye comúnmente mediante la erosión del cuarzo. Pero también puede contener conchas, coral, carbonato, ceniza volcánica e incluso hielo. Eso significa que la arena puede desarrollarse y asentarse no solo en playas y desiertos, sino también en los páramos helados de la Antártida. Además, la definición de arena no tiene nada que ver con la composición y todo que ver con el tamaño y la forma en que se transporta: partículas que son lo suficientemente pequeñas y ligeras para ser lanzadas por el aire. En la Tierra, eso es alrededor de 0,0025 a 0,08 pulgadas (0,06 a 2 milímetros) de diámetro. En otros mundos con menos gravedad, las partículas de arena pueden ser más grandes.

Entonces, ¿cómo se pasa de partículas de arena a dunas ondulantes? La clave de las dunas es el viento. "Mientras haya movimiento de moléculas de aire, terminaremos con un campo eólico", o un paisaje esculpido por arena depositada por el viento, dice Jani Radebaugh de la Universidad Brigham Young de Utah. (Eolean se refiere al dios griego del viento, Eolo).

A pesar de su variedad de composición, todas las dunas en la Tierra se forman bajo aproximadamente las mismas condiciones y están limitadas principalmente por la gravedad, que afecta la distancia que puede volar la arena. Al observar la amplia variedad de mundos del sistema solar cubiertos de dunas, los científicos esperan llegar al meollo de la forma en que se forman y cambian las dunas de arena. La idea básica es simple: el viento transporta arena por la superficie y finalmente la acumula en dunas. Pero los detalles son donde las cosas se complican. ¿Está la arena siguiendo un modelo de dinámica fluida, viajando por el aire de la misma manera que nada por el agua para crear dunas esculpidas por el agua? ¿O obedece a un modelo de mecanismo de impacto, donde el primer grano de arena levantado por el viento levanta otros granos que se levantan aún más?

Según Serina Diniega, investigadora del Laboratorio de Propulsión a Chorro en Pasadena, California, es difícil distinguir entre los dos modelos en la Tierra porque los resultados previstos se parecen mucho. Pero alterar la presión del aire y la gravedad, por ejemplo, construyendo dunas en otro mundo, debería proporcionar una mayor comprensión de qué modelo es el correcto. "Encontrar dunas en otros cuerpos, en otras condiciones, ayuda a discriminar entre modelos que no podríamos probar en la Tierra", dice.

Afortunadamente, hay muchas dunas en el sistema solar.

A principios de la década de 1970, el Mariner 9 de la NASA parecía mostrar a Marte como un mundo muerto e inmutable similar a la Luna de la Tierra. Solo cuando las misiones Viking comenzaron a capturar imágenes de mayor resolución del Planeta Rojo unos años más tarde, las vistas revelaron procesos activos, incluidas las dunas de arena.

La mayor parte de la arena marciana parece ser de origen volcánico. Basalto rocoso lanzado explosivamente desde ahora volcanes muertos hace mucho tiempo erosionados en partículas de unas 0,002 a 0,02 pulgadas (0,05 a 0,5 mm) de diámetro durante millones de años. El agua, que pudo haber fluido brevemente a través de la superficie en el pasado lejano, podría haber descompuesto parte del material rocoso en arena, pero hoy en día, el viento proporciona la fuente más frecuente de erosión. Sin embargo, el viento es ineficiente en comparación con el agua cuando se trata de erosionar rocas en arena. Eso plantea la pregunta de qué edad tiene la arena marciana: ¿se formó toda cuando el agua fluyó por la superficie, o todavía se está creando más arena en la actualidad? Al menos parte de la arena se recicla a medida que las partículas erosionadas forman rocas sedimentarias que luego se vuelven a convertir en arena (Diniega especula que la mayor parte lo es), pero después de que las partículas de arena han chocado suficientes veces, se descomponen en polvo, que los geólogos generalmente definen como partículas. menor que alrededor de 0,0025 pulgadas (0,06 mm). Por lo tanto, el hecho de que Marte todavía tenga arena sugiere un movimiento bajo de las dunas (pocas colisiones) o que hay más erosión en curso de lo que se estima actualmente.

En 2016, el rover Curiosity de la NASA capturó imágenes en primer plano de las dunas, lo que confirmó las predicciones basadas en las características del planeta con respecto a qué tan grande puede crecer la arena en el Planeta Rojo. La arena marciana es aproximadamente del mismo tamaño que su contraparte terrestre, pero la gravedad más débil permite que la arena más ligera vuele, incluso en el aire, y forme dunas.

Ese vuelo depende de la velocidad del viento: los experimentos en el túnel de viento sugieren que hacer que un grano de arena se mueva en Marte requiere una ráfaga 10 veces más fuerte que la requerida para el mismo grano en la Tierra. Pero una vez que la arena comienza a moverse, es más fácil mantenerla gracias a la menor gravedad del planeta. "La gran incógnita para Marte es el umbral que necesita para iniciar el movimiento de la arena", dice Simone Silvestro, investigadora del Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) en Italia.

Durante décadas, los científicos sospecharon que las dunas que vieron en Marte eran reliquias antiguas de un pasado con una atmósfera más densa y vientos más fuertes. Eso cambió en 2019, cuando Silvestro y sus colegas utilizaron el Mars Reconnaissance Orbiter de la NASA para capturar dunas que se arrastraban cerca del ecuador marciano. Al comparar imágenes tomadas con más de siete años de diferencia en dos sitios diferentes, el equipo determinó que estas mega ondulaciones, que son las dunas más grandes con alrededor de 3 pies (1 metro) de altura, bordean alrededor de 4 pulgadas (10 centímetros) por año. .

Incluso hoy en día, los científicos no están seguros de cuán fuertes son los vientos superficiales en Marte. Han trazado patrones de viento globales basados ​​en la topografía y cómo se ha formado el paisaje, pero la mayor parte de las mediciones atmosféricas del planeta han sido realizadas por orbitadores, que se limitan a observar la atmósfera superior. Mientras tanto, los módulos de aterrizaje y los rovers solo pueden proporcionar información sobre la velocidad del viento a nivel del suelo; esto deja una amplia franja de cielo vacía de mediciones atmosféricas.

Idealmente, un rover o módulo de aterrizaje se sentaría en un lugar y miraría el movimiento de la arena constantemente, en lugar de instantáneas cronometradas, dice Diniega. Eso permitiría a los investigadores basar sus modelos en la verdad. Dado que el aire ventoso y lleno de polvo tiene el potencial de obstruir y dañar a los exploradores robóticos, sería aún mejor, dice Silvestro, enviar personas al planeta para medir la velocidad del viento y el movimiento de las dunas.

A menudo llamado el gemelo de la Tierra, Venus podría ser el planeta que más esperarías tener dunas en la superficie. Después de todo, una atmósfera espesa puede mejorar drásticamente las probabilidades de vientos que levantan arena, y la atmósfera venusiana es 90 veces más densa que la de nuestro planeta. Pero aunque la atmósfera superior de Venus se desplaza a gran velocidad, los vientos superficiales avanzan a unas pocas millas por hora. Entonces, las dunas aparecen escasas en Venus.

Pero una de las razones de esta escasez puede ser la falta de buenas imágenes. Aunque se han enviado varias misiones para explorar Venus, la densa atmósfera del planeta hace que vislumbrar la superficie, o sobrevivir en ella, sea aún más desafiante. La mayoría de las fotos son imágenes de radar capturadas desde la Tierra y desde naves espaciales en órbita, que no son comparables con instantáneas visuales, como las que tienen los científicos de Marte. A principios de la década de 1990, la misión Magellan de la NASA cartografió casi todo el planeta con radar, revelando los primeros indicios débiles de dos pequeños campos de dunas. Si bien los científicos han especulado que las señales de radar insinúan la presencia de "microdunas" de centímetros de largo en las regiones del sur del planeta, la evidencia clara de tales características permanece oculta.

Además, hacer arena en Venus es un desafío en sí mismo. Esa misma atmósfera espesa amortigua los procesos volcánicos explosivos que podrían crear cenizas que sirvan como arena. Y el planeta carece del agua líquida necesaria para tallar pequeñas partículas de la superficie rocosa. Se cree que la mayor parte de la arena venusiana se formó cuando los impactos golpearon la superficie y arrojaron material. Incluso si se forma arena, la investigación muestra que las altas temperaturas podrían hacer que las partículas se derritan juntas en un conglomerado difícil de manejar, demasiado grande para volar con el poco viento que hay en la superficie.

La nave espacial Magellan cartografió alrededor del 98 por ciento de la superficie de Venus usando un radar. Pequeñas características parecidas a dunas, caracterizadas por diferentes propiedades reflectantes en el terreno superficial, aparecen en al menos dos pequeños campos en el planeta, incluida esta parte de Al-Uzza Undae.

También es posible que los rastros de antiguas dunas fueran borrados en un evento de resurgimiento planetario hace unos 500 millones de años. Las erupciones volcánicas arrojaron lava a través de la superficie, borrando cráteres y dunas para crear una pizarra limpia solo levemente rayada en escalas de tiempo más recientes.

Si Venus esconde dunas, es posible que pronto salgan a la luz. En 2021, la NASA anunció dos nuevas misiones a Venus, VERITAS y DAVINCI, mientras que la Agencia Espacial Europea reveló planes para una tercera, EnVision. El trío debería comenzar a sondear el planeta en la década de 2030.

Titán, satélite de Saturno

Con su neblina orgánica y lagos de metano, la luna de Saturno, Titán, es el único mundo del sistema solar además de la Tierra que se sabe que contiene líquido en su superficie. Pero mientras los investigadores predijeron sus lagos de metano y etano en la década de 1980, las dunas de arena arrastradas por el viento se consideraron poco probables debido a los sedimentos potencialmente pegajosos del mundo, que están hechos de hidrocarburos alquitranados.

Así que fue una sorpresa en 2006 cuando la misión Cassini de la NASA reveló dunas eólicas esparcidas por las latitudes medias de la luna. "Son casi una característica definitoria de Titán", dice Ralph Lorenz, experto en dunas del Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins en Laurel, Maryland.

Una de las mayores sorpresas fue el hecho de que las dunas de Titán se extienden por la superficie en dirección opuesta al suave movimiento habitual de sus vientos. Resulta que los vientos de Titán invierten brevemente su flujo y se vuelven más fuertes durante los equinoccios. Es más probable que estos vientos estacionales inversos creen dunas que las brisas más ligeras que soplan el resto del año.

Mientras que la arena en la Tierra y Marte proviene de material desgastado con el tiempo, la arena de Titán puede caer del cielo. Los tholines, grupos de materia orgánica cuya composición precisa sigue siendo un misterio, cubren la superficie de Titán y forman las nubes y la neblina en la atmósfera de la luna. El material puede adherirse para formar partículas del tamaño de arena a medida que cae del cielo, solo para convertirse en dunas. Pero no se comprende bien cómo funcionan estos procesos con material orgánico.

"La pregunta pendiente en este punto es si está ocurriendo algún tipo de proceso de agregación que hace que las partículas de neblina se peguen entre sí, formando así partículas del tamaño de la arena", dice Sarah Horst, investigadora de Titán en la Universidad Johns Hopkins en Baltimore.

Alternativamente, las tolinas podrían formar una capa sedimentaria que luego es erosionada por el líquido que fluye de Titán. O, en cambio, la arena podría estar compuesta de material que queda una vez que el líquido se ha evaporado, como el anillo en una bañera.

El entorno exótico de Titán dificulta la determinación de los detalles de la formación de dunas. Según Horst, que experimenta con tolinas en su laboratorio, uno de los desafíos para comprender la extraña sustancia es tratar de averiguar cómo se comporta el material orgánico a las temperaturas en Titán: -297 grados Fahrenheit (-183 grados Celsius). "Muchos de estos compuestos que nos interesan son tóxicos o explosivos o ambos", dice ella. Si bien hay muchos laboratorios capaces de manejar las temperaturas y los compuestos, incluido el de Horst, las preocupaciones de seguridad plantean otro problema. "Es un desafío mayor conseguir fondos para hacer los experimentos", dice ella.

Las dunas en Titán (arriba), mapeadas a través del radar por Cassini, parecen tener una estructura similar a las formadas en el desierto de Namib de la Tierra (abajo). Las características brillantes de la imagen superior no son nubes, sino un terreno que aparece más claro en las imágenes de radar.

Es posible que pronto se respondan muchas preguntas con la misión Dragonfly de la NASA, un helicóptero volador planeado para explorar Titán en 2034. Horst dice que Dragonfly debería proporcionar "información más compleja sobre las partículas para ayudar a descubrir cómo están hechas".

Debido a que Dragonfly explorará a varias altitudes en lugar de quedarse atrapado en la superficie, la misión podrá tomar lecturas más detalladas de la atmósfera que las disponibles para otros mundos no terrestres. Eso debería ayudar a los científicos a comprender cómo se propagan las tolinas por el paisaje. Y mientras que los rovers tienden a evitar las dunas, donde la arena blanda puede atascarlos, la capacidad de Dragonfly para volar de un lugar a otro le permitirá estudiar numerosas características de la superficie, incluidas, según espera Lorenz, las dunas.

Las dunas heladas de Plutón

Cuando la misión New Horizons de la NASA pasó rápidamente por Plutón en 2015, reveló un planeta enano sorprendentemente activo, en lugar del mundo muerto que muchos investigadores esperaban que se encontrara en el borde del sistema solar. Las instantáneas rápidas capturadas por la nave espacial mostraron que la superficie de Plutón ha sido esculpida por el hielo hace relativamente poco tiempo, y los científicos han identificado una amplia variedad de características geológicas.

Radebaugh estaba chateando en Facebook con su colega científico planetario Matt Tefler mientras se publicaban las primeras imágenes de Plutón. Cuando comenzaron a estudiar las instantáneas, las estructuras parecidas a dunas en la característica en forma de corazón ahora llamada Tombaugh Regio saltaron a la vista de la pareja. A Radebaugh, le parecieron similares a las dunas que se encuentran en Death Valley, California. "Me hizo clic de inmediato: 'Oh, estas son dunas'", dice ella.

Se comunicaron con el equipo de New Horizons, trabajando con su grupo geológico para precisar los accidentes geográficos. Después de examinar las imágenes con más detalle de lo que estaba disponible durante el lanzamiento inicial, encontraron que las características tenían más que una similitud pasajera en forma con las dunas. Las dunas también se alinearon bien con las vetas de viento identificadas por otros investigadores, lo que sugiere que los vientos que formaron las vetas soplaron en la misma dirección que los vientos que crearon las dunas.

Al igual que en otros mundos, el mayor desafío para los científicos es descubrir cómo Plutón genera la elevación inicial que hace que las dunas se muevan. La atmósfera de Plutón es increíblemente delgada, probablemente demasiado delgada para recoger partículas del suelo. "Es difícil hacer que las matemáticas funcionen porque la densidad atmosférica es tan baja que su capacidad para transportar material disminuye", dice Horst. Entonces, ¿cómo están dando las partículas ese salto inicial?

Radebaugh y Tefler creen que la respuesta está en un campo de pequeños pozos cerca de las dunas. Plutón está cubierto de hielo compuesto no solo de agua, sino también de metano, nitrógeno y dióxido de carbono. A medida que el metano se abre camino hacia la superficie, salta de sólido a gas, arrojando moléculas de metano al aire y dejando pequeños hoyos. Radebaugh y Teffler creen que los vientos arrastran esas partículas a las dunas.

Solo se tomaron imágenes de una porción de la superficie de Plutón y de eso, solo una pequeña parte parece tener dunas. Tefler dice que esto puede deberse al paisaje local. "Los modelos de circulación sugieren que el área que estamos observando debería ser el lugar más ventoso de Plutón", dice. "Es un lugar que, debido a las propiedades térmicas y de presión derivadas del terreno, es probable que promueva el viento".

Pero no todo el mundo piensa que todavía hay suficiente evidencia para declarar que las características son dunas. "Todavía es un debate en curso en la comunidad geomorfológica planetaria", dice Phillipe Claudin, también en INAF. Tefler y Radebaugh confían en que lo que han visto son dunas, aunque lo más probable es que se necesite otra misión al lejano Plutón para confirmar la naturaleza de las características.

Fuego y hielo

Un artículo reciente publicado el 19 de abril en Nature Communications combinó imágenes de 14 años de la misión Galileo de la NASA con modelos de cómo se mueven los granos para explicar cómo se podrían formar las dunas en el mundo más volcánico del sistema solar: la luna Io de Júpiter. El estudio muestra cómo en esta luna los granos de roca o escarcha no son transportados por los vientos, que son débiles en la fina atmósfera. En cambio, a medida que la lava caliente se mezcla con la escarcha de dióxido de azufre (SO2) bajo tierra, el SO2 se convierte en gas que se ventila a través de la superficie. Esta desgasificación es "lo suficientemente densa y rápida como para mover granos en Io y posiblemente permitir la formación de características a gran escala como dunas", según el primer autor George McDonald de la Universidad de Rutgers en un comunicado de prensa.

Y, de hecho, Galileo detectó características parecidas a dunas en la luna. Los investigadores examinaron de cerca las dimensiones de las características y el espacio entre las crestas y concluyeron que estas formaciones se parecen a las dunas que se ven en otras partes del sistema solar, incluida la Tierra. "Nuestros estudios apuntan a la posibilidad de Io como un nuevo 'mundo de dunas'", dijo McDonald. "Este trabajo nos dice que los entornos en los que se encuentran las dunas son considerablemente más variados que los paisajes desérticos clásicos e interminables en algunas partes de la Tierra". — Alison Klesmann

Si los científicos planetarios se sorprendieron al encontrar dunas en Plutón, donde la atmósfera es delgada, quedaron asombrados al encontrarlas en el pequeño cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, donde la atmósfera es casi inexistente.

A menudo comparado con un patito de goma, Churyumov-Gerasimenko tiene dos lóbulos unidos por un cuello. Lo más probable es que esta forma sea el resultado de la unión lenta de dos piezas separadas de material del sistema solar primitivo. Cuando la nave espacial Rosetta de la Agencia Espacial Europea entró en órbita alrededor de Churyumov-Gerasimenko en 2014, reveló dunas en el cuello y en ambos lóbulos, lo que planteó la cuestión de cómo un objeto con poca o ninguna atmósfera podría tener características de viento.

La respuesta viene del corazón del cometa. A medida que el cometa se acerca al Sol, el material helado de su núcleo comienza a convertirse en gas, abriéndose camino hacia la superficie. En el camino, lleva fragmentos de suciedad, que se liberan cuando el hielo se sublima y crea una envoltura extremadamente delgada alrededor del núcleo, llamada coma. Los vientos generados por el cambio de temperatura a medida que gira el cometa son lo suficientemente fuertes como para mover la tierra. La gravedad es débil en el pequeño cometa, lo que facilita el mantenimiento de partículas grandes en el aire. Por lo tanto, el material del interior del núcleo finalmente se extiende por el suelo para formar dunas "casi automáticamente", dice Claudin, uno de los autores de la investigación que informa sobre estas dunas.

Tales dunas solo pueden formarse cuando el cometa está cerca del Sol. Durante su órbita de 6,4 años, Churyumov-Gerasimenko pasa la mayor parte de su tiempo en las regiones más frías del sistema solar, cerca de Júpiter, su superficie no cambia. Claudin estima que el cometa solo forma activamente nuevas dunas durante unas dos semanas en cada órbita.

Pero no hay nada particularmente único en Churyumov-Gerasimenko. "Yo diría que lo que estamos viendo es bastante genérico", dice Claudin. Eso significa que los miles de cometas conocidos, y los miles de millones de cometas estimados, pueden crear sus propias dunas cuando se acercan al Sol. Las futuras naves espaciales pueden estar mejor preparadas para sondear cualquier duna que se esté formando o congelada en la superficie.

Pero al igual que la atmósfera de un cometa, algunos consideran que la evidencia es tenue. "Nunca he estado convencido", dice Horst. Ella afirma que un problema común en la ciencia planetaria es la asociación entre una característica vista en otro mundo y la contraparte terrestre a la que se parece. "El hecho de que algo parezca un proceso con el que estamos familiarizados no significa que sea un proceso con el que estemos familiarizados", dice. Después de todo, a los humanos les gusta identificar y categorizar lo que vemos, pero a veces lo que percibimos como una característica particular, por ejemplo, una duna, puede resultar ser nada. Piense en la pirámide y la cara que se han identificado en Marte: cuando se examinan de cerca o desde otro ángulo, son solo rocas.

No obstante, en un artículo de 2017 publicado en Aeolian Research que analiza cómo ha cambiado nuestra comprensión de la formación de dunas a medida que se estudian los mundos del sistema solar con mayor profundidad, Diniega, Radebaugh, Silvestro, Tefler y otros argumentan que reconocer las dunas es el primer paso para identificarlas. . Al establecer una política flexible para identificar las características arrastradas por el viento, los investigadores esperan hacer que las clasificaciones antes vagas sean más consistentes. Idealmente, la identificación de dunas en mundos como Venus y Plutón seguiría un camino similar al de Marte. Una vez que una misión observa dunas sospechosas, la próxima generación de naves espaciales puede realizar observaciones más detalladas para estudiar sus características y analizar patrones de candidatos individuales para confirmar o negar su condición de dunas. Las misiones posteriores pueden clasificar el paisaje aún más.

Y a medida que continúan las observaciones de otros mundos (incluidos los cometas), los científicos esperan tener una mejor idea de lo que es posible en otros lugares, lo que les permitirá refinar sus modelos de cómo se forman y se mueven las dunas, en la Tierra y más allá.