От растрескивающейся грязи до таяния вечной мерзлоты — трещины на поверхности Земли и многих других планет — обычное явление. И, как утверждают исследователи, на геометрию этих трещин влияет наличие воды и то, как долго она существует в этой области. Группа учёных предложила модель для прогнозирования эволюции трещиноватых поверхностей с течением времени. Эти новые открытия могут быть использованы для разгадки истории воды на других планетах.
С 1960-х годов космические аппараты и спускаемые аппараты передают наблюдения за различными телами Солнечной системы, возвращая сотни тысяч изображений. «Объём поступающих данных ошеломляет, и в основном это фотографии», — сказал Габор Домокос, прикладной математик из Будапештского университета технологии и экономики в Венгрии.
«С момента затвердевания материалы начинают разрушаться».
Многие из этих изображений показывают процесс, который сейчас известен как повсеместный во всей Солнечной системе: дезинтеграция. «С момента затвердевания материалы начинают разрушаться», — сказал Дуг Джеромлак, геофизик из Университета Пенсильвании в Филадельфии.
Исследование, которое Домокос и Джеромлак, а также их аспиранты Крисztina Регош и Софи Силвер недавно опубликовали в «Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America», отражает эту мысль в поэтической первой строке: «Всё распадается».
Исследователи проанализировали изображения трещиноватых поверхностей Венеры, Марса и спутника Юпитера Европы и вручную проследили видимые на каждом из них трещины. Команда сосредоточилась на 15 изображениях: 4 изображениях Венеры, 9 изображениях Марса и 2 изображениях Европы.
Со стороны сверху сети трещин выглядят как мозаика выпуклых многоугольников. Эти многоугольники можно охарактеризовать простыми геометрическими свойствами, включая количество вершин и количество трещин, сходящихся в каждой из этих вершин (или «узлов»). По словам Домокоса, работа команды заключалась именно в этом, и в ней не было ничего особенно сложного: «Мы просто подсчитываем».
Из более чем 13 000 узлов, которые подсчитали исследователи, более 95% состояли из пересечения двух, трёх или четырёх трещин. Предыдущие работы в области геоморфологии обозначали эти пересечения как Т-, Y- и Х-образные узлы соответственно на основании букв, на которые они часто похожи.
### Три буквы, три процесса
Т-образные узлы были наиболее распространены на изображениях. Этот результат согласуется с исследованиями трещин на Земле и не является неожиданным, сказал Джеромлак, поскольку эти узлы образуются в результате простого процесса: более новая трещина наталкивается на более старую и останавливается. «Это наиболее распространённый образец того, как что-то просто ломается, ломается и ломается», — пояснил Джеромлак. На грязевом плато, которое когда-то было влажным, а затем со временем высохло, преобладающими будут Т-образные узлы.
Y-образные узлы, с другой стороны, встречались реже и, как показала команда, имели тенденцию возникать в формах рельефа, которые испытывали чередующиеся периоды высыхания и увлажнения. Лабораторные результаты подтверждают это открытие: в 2010 году другая исследовательская группа опубликовала замедленную съёмку глины, подвергающейся повторяющимся циклам высыхания и увлажнения, и обнаружила, что Т-образные узлы превращаются в Y-образные.
По словам Лукаса Геринга, физика из Ноттингемского университета Трент в Великобритании и ведущего автора этого исследования, распространение трещины через частично, но не полностью зажившие Т-образные узлы, как правило, приводит к образованию закруглённых углов. «Со временем этот угол примет форму, похожую на Y».
Хотя Y-образные узлы не обязательно указывают на наличие воды — эти особенности также образуются в базальтовых колоннах, — они намекают на то, что ландшафт мог испытывать устойчивое присутствие воды, по мнению исследователей.
Х-образные узлы оказались самыми редкими из трёх. Команда обнаружила Х-образные узлы — в которых более новая трещина проходит прямо через более старую трещину — только на Европе. «Обычно трещина аккуратно разделяет две поверхности», — сказал Геринг. Но Х-образный узел является свидетельством того, что предыдущая трещина зажила, тем самым позволив более молодой трещине беспрепятственно распространиться по ней. «Он ведёт себя так, будто старой трещины нет», — сказал Джеромлак.
Лед из воды — это один из таких материалов, который заживает сам, а Европа, как известно, покрыта оболочкой из этого вещества. Обнаружение Х-образных узлов указывает на наличие замёрзшей воды, заключили исследователи.
### Создание «фильмов»
«У нас нет таких фильмов, даже на Земле».
Затем Домокос, Джеромлак и их студенты построили геометрическую модель трещинообразования. Цель состояла в том, чтобы разработать математические выражения, кодирующие физические процессы, участвующие в формировании Т-, Y- и Х-образных узлов, и затем на основе одного изображения планетарной поверхности смоделировать, как ансамбль трещин будет эволюционировать со временем.
Проигрывание такого «фильма» может раскрыть что-то о геологических процессах, лежащих в основе образования трещин, сказал Домокос. Это важно для понимания не только нашей собственной планеты, но и других миров. «У нас нет таких фильмов, даже на Земле».
Исследователи показали, что их модель может точно воспроизвести весь диапазон наблюдаемых ими мозаики трещин. Это имеет решающее значение для проверки полезности этой модели, сказал Джеромлак. «Мы построили игрушечную модель вселенной трещинообразования. Реальная вселенная моделей трещин, похоже, довольна тем, что подчиняется ей».
Однако, по словам Геринга, тестирование этой модели потребует дополнительных экспериментальных данных, показывающих, как развиваются реальные трещины. Сбор таких данных не является технически сложным, но может быть трудоёмким: Геринг и его команда потратили несколько месяцев на наблюдение за тем, как глина растрескивалась в ответ на 25 циклов высыхания и увлажнения. «Это довольно утомительный эксперимент», — сказал он.
Но такая модель может пролить важный свет на прошлое Солнечной системы, сказала Нина Ланца, планетолог из Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико, которая не участвовала в исследовании. Например, понимание того, сохранялась ли вода где-либо в течение длительного времени, кое-что говорит о геологической среде, сказала она. «Теперь мы получаем более сложную картину планеты с течением времени».
Домокос, Джеромлак и их студенты проанализировали все свои мозаики трещин вручную. Однако будущие исследования могут опираться на искусственный интеллект и машинное обучение, что позволит исследовать не просто несколько мозаики трещин, а тысячи.
— Katherine Kornei (@KatherineKornei), научный писатель.