08
Sep
2022

อุณหภูมิที่ผันผวนอย่างมากในทะเลทรายกวนทรายและฝุ่นอย่างไร

การทำความเข้าใจการเคลื่อนที่ของอนุภาคซึ่งบางส่วนเข้าสู่ชั้นบรรยากาศอาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ปรับปรุงแบบจำลองสภาพภูมิอากาศและคาดการณ์พายุฝุ่นบนดาวอังคารได้

ทุ่งเนินทรายขาวเป็นที่รกร้างและโดดเดี่ยว ห่างไกลจากกิจกรรมของมนุษย์ ลักษณะที่ทำให้ทะเลทรายนิวเม็กซิโกเป็นจุดในอุดมคติสำหรับกองทัพสหรัฐฯ ในการทดสอบระเบิดปรมาณูลูกแรกของโลกในปี 1945 มันยังคงทำหน้าที่เป็นพิสัยขีปนาวุธที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน . ทรายยิปซั่มที่กว้างใหญ่ขนาด 275 ตารางไมล์ยังเป็นสถานที่ที่เหมาะสำหรับนักธรณีสัณฐานวิทยาแอนดรูว์กันน์เพื่อทำการทดลองภาคสนามอย่างไม่เคยปรากฏมาก่อน

สามารถทำงานอย่างสงบสุขโดยไม่ต้องกังวลว่าจะสูญเสียอุปกรณ์ราคาแพงให้กับโจร กันน์และเพื่อนร่วมงานพยายามเปิดเผยความลับของการเคลื่อนตัวของทราย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกเขากำลังศึกษาว่าการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและลมในแต่ละวันในชั้นบรรยากาศของโลกทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของทรายและฝุ่นด้านล่างหรือไม่ การระบุสาเหตุและผลกระทบในพื้นที่ทะเลทรายแห่งนี้จะเป็นขั้นตอนสำคัญในการพยากรณ์ว่าอนุภาคที่พื้นผิวดาวเคราะห์มีอิทธิพลต่อสภาพอากาศอย่างไร

“ทุ่งเนินทรายนั้นแปลกมาก ไม่เอื้ออำนวย” กันน์กล่าว “มันรู้สึกเหมือนมนุษย์ต่างดาว”

ธรณีสัณฐานวิทยา ซึ่ง Gunn ศึกษาอยู่ที่มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย ศึกษาลักษณะการก่อตัวของน้ำแข็ง น้ำ และอากาศ และเปลี่ยนแปลงภูมิทัศน์ของโลก ที่ White Sands ซึ่งอุณหภูมิสามารถเปลี่ยนจาก -19 องศาฟาเรนไฮต์ในตอนกลางคืนเป็น 95 องศาในตอนกลางวัน Gunn ค้นพบว่าการแกว่งของอุณหภูมิที่รุนแรงของสิ่งแวดล้อมทำให้เกิดลมแรงที่เคลื่อนเนินทรายและสูบฝุ่นสู่ชั้นบรรยากาศ การค้นพบนี้ ซึ่งตีพิมพ์ในจดหมายวิจัยธรณีฟิสิกส์เมื่อต้นปีนี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจทั้งวิธีสร้างแบบจำลองสภาพภูมิอากาศบนโลก และวิธีที่กระบวนการในชั้นบรรยากาศอาจมีรูปร่างพื้นผิวของดาวอังคาร

ทะเลทรายครอบคลุมพื้นที่ประมาณหนึ่งในสามของพื้นผิวโลกและเป็นส่วนสำคัญของระบบภูมิอากาศ เมื่อทรายกลายเป็นฝุ่น ลมหรือพายุพัดมันขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศที่รวมเข้ากับ ระบบ หมุนเวียนของตะกอนทั่วโลกที่ให้สารอาหารแก่แพลงก์ตอนพืชในมหาสมุทรหล่อเลี้ยงชีวิตพืชในอเมซอน และแม้กระทั่งส่งผลกระทบต่อการก่อตัวของเมฆ การศึกษาหลายชิ้นได้สำรวจว่าเหตุการณ์สภาพอากาศขนาดใหญ่เช่นพายุฝนฟ้าคะนองและhaboobsนำฝุ่นเข้าสู่ระบบอย่างไร แต่การศึกษาว่าการเปลี่ยนแปลงของบรรยากาศในแต่ละวันตามปกติส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของตะกอนได้อย่างไร

Gunn และทีมของเขาออกเดินทางไปยัง White Sands ในฤดูใบไม้ผลิปี 2017 และ 2018 ซึ่งเป็นฤดูที่มีลมแรง โดยมีสมมติฐานและชุดอุปกรณ์กิซโมสำหรับทดสอบ นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเมื่อพื้นผิวโลกและชั้นบรรยากาศชั้นล่างอุ่นกว่าอากาศด้านบน ลมจะพัดพาทรายไป นักวิจัยใช้เครื่องดอปเปลอร์ลิดาร์เพื่อกระจายเลเซอร์ไปในอากาศเพื่อวัดลมที่อยู่เหนือพื้นผิวประมาณ 1,000 ฟุต พวกเขาใช้หอพลังงานแสงอาทิตย์พร้อมเซ็นเซอร์ที่เรียกว่าเสาอุตุนิยมวิทยาเพื่อบันทึกความร้อนและความชื้น เซ็นเซอร์วัดความเค็มของทรายตรวจพบแม้ทรายเม็ดเดียวเคลื่อนตัว และในห้องปฏิบัติการ พวกเขาวิเคราะห์ภาพถ่ายดาวเทียมโดยใช้อัลกอริธึมการเรียนรู้ด้วยเครื่องเพื่อวัดฝุ่นที่เข้าสู่ชั้นบรรยากาศ

พวกเขาพบว่าในตอนเช้า แสงแดดทำให้พื้นดินร้อนขึ้น ซึ่งทำให้ชั้นบรรยากาศด้านล่างร้อนจนถึงจุดที่มันไม่เสถียรและเริ่มหมุนเวียน—ด้วยอากาศร้อนและอากาศที่หนาแน่นน้อยกว่าที่เพิ่มขึ้นและเย็นลง และอากาศที่หนาแน่นขึ้นจะจมลง การพาความร้อนนี้กระตุ้นบรรยากาศและในที่สุดก็ลากกระแสลมที่สูงขึ้นที่เคลื่อนที่เร็วลงมาที่พื้น

“โดยพื้นฐานแล้วแนวคิดก็คือ ทุ่งทรายสร้างลมเอง” กันน์กล่าว

ประมาณเที่ยงวัน เมื่ออุณหภูมิพื้นผิวสูงขึ้น ทีมงานได้ค้นพบความเร็วลมถึงความเร็วสูงสุดในขณะที่ความชื้นในทรายระเหยไป เม็ดทรายลอยไปตามพื้นผิว และฝุ่นก็เคลื่อนตัวขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศ หลังจากพระอาทิตย์ตก อุณหภูมิของอากาศและทรายก็ลดลงอย่างรวดเร็ว ความเร็วลมที่พื้นผิวลดลงและเม็ดทรายก็ตกลง ทุกวัน กระบวนการนี้ซ้ำแล้วซ้ำอีก โดยทะเลทรายเคลื่อนตัวเล็กน้อยและสูบฝุ่นขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศมากขึ้น

“การขนส่งทราย การเคลื่อนตัวของเนินทราย การปล่อยฝุ่นจากภูมิประเทศ—ซึ่งทั้งหมดนี้เชื่อมโยงกับวัฏจักรประจำวันนี้อย่างแท้จริง” กันน์กล่าว

หลังจากการศึกษาที่ White Sands กันน์และเพื่อนร่วมงานได้ดูการสังเกตการณ์อุตุนิยมวิทยาที่ใช้เวลากว่าทศวรรษจากเนินทราย 45 แห่งทั่วโลก เพื่อดูว่าพวกเขาสามารถหาหลักฐานของกระบวนการเดียวกันได้หรือไม่ ผลการวิจัยสะท้อนถึงสิ่งที่ White Sands ยิ่งอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงสูงเท่าใด ลมก็จะยิ่งเกิดที่พื้นผิวทะเลทรายเร็วขึ้นเท่านั้น

พวกเขาพบว่าขนาดของทะเลทรายส่งผลต่อความแรงของลมโดยไม่คาดคิด ยิ่งเนินทรายมีขนาดใหญ่เท่าใด ความเชื่อมโยงระหว่างการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความเร็วลม และการเคลื่อนตัวของทรายไปตามพื้นดินและสู่ชั้นบรรยากาศยิ่งแข็งแกร่ง

Doug Jerolmack นักธรณีฟิสิกส์เชิงทดลองจากมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียและผู้เขียนการศึกษากล่าวว่าการค้นพบวัฏจักรความร้อนรายวันและการขนส่งทรายและฝุ่นสามารถปรับปรุงการสร้างแบบจำลองสภาพอากาศ ได้ แบบจำลองเหล่านี้ซึ่งใช้ข้อมูลการปล่อยฝุ่นเพื่อทำนายการก่อตัวของเมฆ มีประโยชน์สำหรับนักฟิสิกส์ภูมิอากาศและนักอุตุนิยมวิทยาในการทำนายสภาพอากาศที่แม่นยำ เมฆมีบทบาทสำคัญและซับซ้อนในการควบคุมอุณหภูมิของสภาพอากาศของโลก แต่ยังสร้างแบบจำลองได้ยาก ข้อมูลฝุ่นที่ดีขึ้นสามารถช่วยให้นักวิจัยเข้าใจมากขึ้นว่าเมฆก่อตัวขึ้น เติบโตและมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร

Jerolmack กล่าวว่า “มีหลายสิ่งที่น้ำรวมตัวกันเพื่อสร้างเมฆ แต่สิ่งหลักๆ สองอย่างคือฝุ่นและเกลือทะเล” “ความไม่เสถียรในการพาความร้อนในทะเลทรายตอนนี้เหมือนกับปั๊มแนวตั้งที่ดูดฝุ่นและส่งไปยังชั้นบรรยากาศชั้นบนที่มันสามารถเพาะเมฆได้”

ล อรี เฟนตันนักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ที่สถาบัน SETI ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ กล่าวว่ากระบวนการเดียวกันที่สังเกตได้บนหาดทรายขาวมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นบนดาวอังคาร บางทีอาจมีอุณหภูมิและความชื้นที่แปรปรวนมากขึ้น “บนดาวอังคาร เนินทรายมีสีเข้มกว่าภูมิประเทศโดยรอบ ซึ่งจะช่วยเพิ่มความไม่เสถียรในการพาความร้อนซึ่งก่อให้เกิดลมกระโชกแรง” เธอกล่าว

จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเนินทรายบนดาวอังคารเป็นวัตถุโบราณจากยุคก่อน ทว่าคลื่นและเนินทรายที่แสดงให้เห็นว่ากำลังเคลื่อนตัวอยู่บนดาวเคราะห์สีแดง บ่งบอกว่าพื้นที่บางแห่ง เช่น เนินทราย Nili Patera , Styrtis Majorและ Mawrth Vallisกำลังถูกเคลื่อนย้ายโดยสภาพอากาศในปัจจุบัน

พายุฝุ่นบนดาวอังคารซึ่งเริ่มต้นในพื้นที่และบางครั้งรวมกันเพื่อห่อหุ้มดาวเคราะห์ทั้งดวงอาจได้รับการอธิบายบางส่วนจากการค้นพบของ Gunn เช่นกัน เนื่องจากกลไกของบรรยากาศที่ค้นพบที่ White Sands อาจเป็นสิ่งที่เริ่มต้นฝุ่นเริ่มต้นที่สร้างพายุในท้องถิ่น “การก่อตัวของพายุฝุ่นขนาดเท่าดาวเคราะห์เป็นเรื่องลึกลับที่ยังไม่ได้แก้ในวิทยาศาสตร์ของดาวอังคาร” เฟนตันกล่าว

ความเพียรพยายามของ NASA ซึ่งขณะนี้กำลังเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวดาวอังคาร คาดว่าจะข้ามเนินทรายและระลอกคลื่นขนาดใหญ่ตลอดแนวขวางของJezero Craterไปยังขอบสามเหลี่ยมปากแม่น้ำโบราณ เซ็นเซอร์บนเครื่องบินจะเก็บข้อมูลอุตุนิยมวิทยาเกี่ยวกับอุณหภูมิพื้นผิว โปรไฟล์ลม และอนุภาคฝุ่น ซึ่งคล้ายกับการทดลองของ Gunn ที่ White Sands สิ่งนี้จะช่วยยืนยันว่าความร้อนสูงทำให้ความเร็วลมสูงขึ้นบนดาวเคราะห์แดงหรือไม่

การคาดคะเนการเคลื่อนที่ของฝุ่นบนดาวอังคารอย่างแม่นยำนั้นมีความสำคัญด้วยเหตุผลในทางปฏิบัติเช่นกัน ในปี 2018 เมื่อยานสำรวจ Curiosity ของ NASA ติดอยู่ในพายุฝุ่น มันไม่สามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้อีกต่อไป Jean-Philippe Avouacนักธรณีวิทยาและดาวเคราะห์ที่ CalTech กล่าวว่า “ในขณะที่เราวางแผนที่จะส่งอุปกรณ์เพิ่มเติมและในที่สุดผู้คนไปยังดาวอังคาร คุณต้องการมีความเข้าใจที่ดีเกี่ยวกับระบอบลม” “หากมีทรายปลิวไปตามลมมาก มันจะสร้างความเสียหายให้กับอุปกรณ์ทั้งหมด และนั่นจะเป็นปัญหาใหญ่”

หน้าแรก

Share

You may also like...

Leave a Reply

Your email address will not be published.