WSZYSTKIE KOLORY PIASKUANNA ŁOSIAK 24.09.2018
Wydmy można znaleźć na powierzchni Ziemi, Marsa i Wenus, ale też małych i zimnych ciał, takich jak księżyce Saturna czy Pluton. Dlaczego właściwie powinno nas to interesować?
Zwietrzały piasek kryjący warstwy skał osadowych w marsjańskim kanionie Ganges Chasma. NASA / JPL-CALTECH / UNIVERSITY OF ARIZONAWydmy to w pierwszym przybliżeniu asymetryczne pagórki zbudowane z piasku przenoszonego przez wiatr. Ale w nauce, a już szczególnie w geologii, nic nie jest tak proste.
Najbardziej charakterystyczną cechą wydmy jest asymetryczność jej stoków – jedna strona pagórka jest zawsze krótsza i bardziej stroma od drugiej. Kształt bezpośrednio wynika ze sposobu ich powstawania: ziarenka przemieszczają się zgodnie z przeważającym kierunkiem wiatru i przy napotkaniu przeszkody, nawet małego kamienia, zaczynają się gromadzić. Po jakimś czasie kupka piasku staje się na tyle wysoka że „tylna” (zawietrzna) część stoku staje się niestabilna i stacza się w formie miniosuwiska. Tak wykształca się zasadnicza struktura tzw. wydmy poprzecznej: piasek mozolnie wspina się, popychany wiatrem, po stronie nawietrznej, jego strona zawietrzna zaś to tak naprawdę stale odnawiające się osuwisko. Wydma taka jest więc, czego być może nie widać na pierwszy rzut oka, niestrudzonym wędrowcem, pełzającym w kierunku wyznaczanym przez wiatr.
Dzięki asymetryczności stoków możemy łatwo odczytać kierunek przeważających wiatrów w danym miejscu: wystarczy spojrzeć, w którą stronę kieruje się stroma część wydmy. Co więcej, tej samej zależności można użyć do określenia, w którą stronę wiał wiatr miliony lat temu, i to nawet jeżeli same wydmy już dawno przestały istnieć. Wszystko dzięki temu, że skały powstałe w wyniku sklejenia ziarenek piasku tworzących wydmę – czyli piaskowce – często mają w swojej strukturze cieniutkie, równoległe warstewki, nachylone do poziomu pod kątem ok. 33 stopni. To ślady po stokach zawietrznych, doskonale widoczne nie tylko w ziemskich skałach, ale także w piaskowcach fotografowanych przez łaziki marsjańskie.
Czasem dane jest nam zmierzyć dawne kierunki wiatrów na Marsie dzięki studiowaniu wydmowych zjaw, czyli przypadku, gdy wydm już nie ma, ale nadal możemy widzieć ich „odciski”. Te zaobserwowane kilka miesięcy temu na dnie największego krateru na Marsie, basenu uderzeniowego Hellas, są szczególnie dziwne. Powstały, gdy pole wydm poprzecznych, rogalikowatych barchanów, zostało zalane lawą. Następnie same wydmy wywiały wiatry i zachowały się tylko ich „odlewy”. Można jednak na ich podstawie stwierdzić że wydmy miały ok. 75 m wysokości i poruszały się z północy na południe – inaczej niż obecnie aktywne wydmy w tym rejonie.
Jak to się robi na WenusWydmy mogą być bardzo różnych rozmiarów, od malutkich, centymetrowych ripplemarków, czyli zmarszczek na piaszczystych powierzchniach, aż do gigantycznych, wysokich na kilkaset metrów gór piachu. Co ciekawe, mimo tak dużych różnic w ich wielkości, w niemal wszystkich ziemskich wydmach kąt świeżego stoku zawietrznego jest dokładnie taki sam i wynosi 33 stopnie. Jest to kąt naturalnego spoczynku dla suchego piasku, czyli maksymalna stromość stabilnego stoku zbudowanego z tego materiału. Gdy spróbujemy dosypać choć trochę więcej piasku, zsunie się on w postaci minilawiny.
Wielkości wydm zaobserwowanych na Wenus do niedawna wydawały się nie pasować do naszego zrozumienia procesu tworzenia tych form – były one zdecydowanie za niskie w stosunku do naszych oczekiwań. Ich badania nadal stanowią ogromne wyzwanie. Z powodu nieprzeniknionej warstwy chmur robienie normalnych zdjęć tej planety jest niemożliwe, a piekielne warunki na powierzchni (typowa prognoza pogody na Wenus to temperatura 462 st. C, ciśnienie 92 razy większe niż na Ziemi, możliwość opadów stężonego kwasu siarkowego) uniemożliwiają wysłanie tam łazików. Na szczęście sygnał radarowy przenika przez zasłonę chmur i pozwala dojrzeć powierzchnię.
Dziwne, tajemniczo małe wydmy widoczne w postaci wałów długo stanowiły tajemnicę. Dopiero niedawno naukowcy zorientowali się, że dotychczas porównywali rzeczy niezupełnie porównywalne. Okazało się że wenusjańskie wydmy są w rzeczywistości bardzo podobne do ziemskich wydm, ale tylko tych znajdujących się na dnie morza. I w sumie nic w tym dziwnego; w końcu ciśnienie na powierzchni Wenus jest podobne do tego panującego na głębokości 900 m oceanu.
Z kwarcu, bazaltu i lodu...Materiał, z którego zbudowane są wydmy, to zwykle białawy kwarc – taki tworzy nasze bałtyckie plaże. Na Ziemi kwarc stanowi główny materiał budulcowy wydm, ponieważ spośród powszechnie występujących minerałów jest najbardziej odporny na wietrzenie chemiczne na powierzchni naszej planety. Pozostałe składniki, z jakich zbudowane są skały, znacznie szybciej rozpuszczają się w kontakcie z wodą i w rezultacie na miejscu pozostaje tylko kwarc.
Czasem na Ziemi natknąć się można jednak na wydmy z nietypowych materiałów. W amerykańskim parku narodowym White Sands można znaleźć przeraźliwie białe wydmy zbudowane z gipsu. Gips jest niemal przeciwnością kwarcu – jest jednym z najbardziej delikatnych i bardzo łatwo rozpuszczalnych w wodzie minerałów, dlatego teoretycznie nie powinien nigdy stanowić materiału do budowy wydm. Jest to możliwe tylko ze względu na bardzo specyficzną budowę geologiczną tego obszaru. White Sands jest terenem bezodpływowym, położonym na pustyni zbudowanej ze skał bogatych w gips. Oznacza to, że za każdym razem gdy pada, woda powoli wypłukuje nowe pokłady gipsu i przemieszcza je w najniższe dostępne miejsce. Gdy woda wyparowuje, wykrystalizowują się nowe minerały gipsu, które potem mogą być rozdrobnione i przenoszone przez wiatr, aby tworzyć wydmy. Podobne pole gipsowych wydm nie mogłoby istnieć w żadnej innej konfiguracji geologicznej.
O ile wydmy na Ziemi są w większości białe lub żółte, o tyle podobne formy na Marsie i na Wenus są w niemal w stu procentach czarne. Wynika to z tego, że piasek na tych planetach składa się nie z kwarcu, ale z rozdrobnionego bazaltu – skały, w którą zastyga lawa np. na Hawajach. Dlaczego? O ile ziemskie kontynenty w dużej części składają się ze skał bogatych w kwarc, o tyle na innych planetach minerału tego prawie nie ma. Ot, kolejny subtelny sposób, na jaki nasza planeta zaznacza swoją wyjątkowość. W niektórych przypadkach również na Ziemi możemy znaleźć takie bazaltowe wydmy. Jest tak np. na Islandii, gdzie skał innych niż bazalty właściwie nie ma.
Wydmy zbudowane z jeszcze dziwniejszego materiału można znaleźć na Tytanie, największym księżycu Saturna. Tytan jako jedyne ciało niebieskie poza Ziemią ma nie tylko gęstą atmosferę o ciśnieniu podobnym do ziemskiego, ale i cykl pogodowy, jednak z opadami nie wody, lecz płynnego metanu i etanu. Tam właśnie w okolicach równika znajdują się długie na dziesiątki kilometrów i wysokie na ponad sto metrów wydmy. Na powierzchni Tytana nie ma ani kwarcu, ani nawet bazaltu. Z czego więc składają się wydmy na tym księżycu? Jest tam tak zimno (-180 st. C), że woda zamienia się w odmianę lodu, której nie znamy z naszej własnej planety. Lód ten jest bardziej sztywny i zachowuje się zupełnie jak ziemskie skały – może być erodowany przez szerokie meandrujące rzeki płynnego metanu, występujące na powierzchni Tytana, oraz rozdrabniany i przesypywany wiatrem w gigantyczne wydmy.
...pod wodą i w próżniJeżeli dokładniej przyjrzymy się wydmom, okaże się, że nawet wiatr nie jest konieczny do ich powstania. Wystarczy jakakolwiek ciecz, np. woda. Pod powierzchnią mórz i na dnach rzek można często zaobserwować ripplemarki – podobne do tych występujących na powierzchni wydm. Tworzą się one bardzo podobnie do tych powietrznych, ale ze względu na większą gęstość wody mogą składać się nie tylko z niewielkich ziaren piasku, ale nawet ze sporych kamieni: woda może przenosić cięższe fragmenty skał niż wiatr.
Te różnice między wodą i powietrzem pozwalają rozpoznać, czy dany piaskowiec powstał w rzece czy na pustyni. Skały, które powstały w środowisku wodnym, składają się z fragmentów o różnych wielkościach – od pyłu aż do sporych kamieni. Wiatr jest znacznie bardziej wybiórczy, jeżeli chodzi o wielkość ziaren, jakie jest w stanie nieść: pył jest łatwo wywiewany na znaczne odległości (np. cząsteczki z Sahary czasami trafiają aż do Polski), a żwirki i kamienie pozostają w miejscu, tworząc tzw. bruk deflacyjny, czyli płaską powierzchnię pomiędzy wydmami, wyłożoną gęsto upakowanymi kamieniami. Jedynymi cząsteczkami, jakie może przemieszczać wiatr, są ziarenka piasku – i to też zwykle tylko te o bardzo wąsko określonym rozmiarze. W rezultacie materiał przewiewany przez wiatr składa się wyłącznie z ziaren o zbliżonych średnicach. Tę zależność można wykorzystać do stwierdzenia, z jaką prędkością wiał wiatr lub płynęła rzeka – im większy kamień, tym większa musi być prędkość ośrodka, żeby go w ogóle ruszyć z miejsca. Dzięki temu w 2013 r. łazik Curiosity był w stanie nie tylko potwierdzić istnienie rzek na Marsie, ale nawet policzyć głębokość rzeki (do maksymalnie jednego metra) i prędkość strumienia (do 0,75 m/s).
Mimo że jeszcze niedawno wydawało się to niemożliwe, wydmy mogą czasem powstać w warunkach, jakie w ziemskich laboratoriach określilibyśmy jako całkiem wysoka próżnia. A to dzięki danym wysłanym w tym samym 2015 r. przez dwie misje: New Horizons, która przeleciała koło Plutona, i Rosetta, która orbitowała dookoła komety Czuriumow-Gierasimienko, zwanej też, na szczęście, 67P.
Przed dotarciem do nas zdjęć z Plutona większość z naukowców spodziewała się zobaczyć coś w rodzaju powierzchni asteroidy – nagiej skały podziurawionej większymi i mniejszymi kraterami uderzeniowymi. Naszym oczom ukazały się jednak wysokie góry zrobione z superzimnego lodu, wulkany wyrzucające w przestrzeń kosmiczną azot, lodowce z mieszanki zestalonego azotu, dwutlenku węgla i metanu... i wydmy.
Wydmy na powierzchni planety (karłowatej), gdzie ciśnienie atmosferyczne jest sto tysięcy razy niższe niż to na Ziemi, były tak absurdalnym odkryciem, że na początku uznano, iż musi to być błąd w danych. Ale im dokładniej analizowaliśmy dane, tym bardziej wydmy wydawały się tam być. W jaki sposób ziarenka mogły zostać usypane w dobrze znane nam wydmowe kształty, gdy praktycznie nie ma wiatru, który mógłby je popychać? Badania opublikowane w maju tego roku wskazują, że dzięki specyficznemu zbiegowi okoliczności powstanie tam wydm było właściwie nieuniknione. Po pierwsze, dzięki temu, że Pluton jest tak mały, z mniejszą niż na Ziemi siłą przyciąga wszystko na swojej powierzchni: potrzeba więc znacznie mniejszej siły, żeby przenieść ziarenko z jednego miejsca na drugie. Po drugie, materiał, z którego zbudowane są wydmy, to najprawdopodobniej zamarznięty na kość metan, który jest lżejszy od podobnego ziarenka z kwarcu. I po trzecie, niektóre obszary na Plutonie nieustannie sublimują, czyli zmieniają się z ciała stałego w gaz. Dzięki temu ziarenka metanowego piasku „lewitują” bezpośrednio nad powierzchnią i wystarcza bardzo, bardzo słaby wiaterek w rzadkiej plutonowej atmosferze, żeby przepchnąć je dalej i utworzyć wydmy.
Absolutnie już niedorzeczne wydawało się odkrycie długich na kilkadziesiąt metrów, aktywnych wydm na komecie 67P w 2015 r. Kometa ta, mająca zaledwie ok. 4 km wzdłuż najdłuższej osi, nie ma wystarczającej masy, żeby móc grawitacyjnie utrzymać przy sobie znaczącą atmosferę, w której mogą wiać wiatry. Jak zmierzył to lądownik Philae misji Rosetta, nawet przy samej powierzchni maksymalne średnie ciśnienie gazów jest grubo ponad 100 tysięcy razy mniejsze niż te na Ziemi.
Tym razem odpowiedzialne okazały się wybuchające od czasu do czasu spod powierzchni dżety – gęste strumienie gazu i cząsteczek materiału tworzącego kometę: ten sam uwolniony materiał, który z Ziemi widzimy jako ogon komety. Prędkość takiego strumienia wynosi ponad sto metrów na sekundę. To wystarcza do przemieszczania nie tylko ziaren piasku, ale i sporych kamieni. Tak właśnie, w kilka sekund, może na powierzchni komety wyrosnąć długa na kilkadziesiąt metrów góra piasku. Dodatkowo okazuje się że różnica ciśnień pomiędzy oświetloną a ciemną stroną komety wystarcza do wywołania wiatru, który może przenosić drobinki piasku.
Po raz kolejny sprawdza się więc złota zasada geologii planetarnej: choć struktury występujące na innych ciałach Układu Słonecznego bywają łudząco podobne do ziemskich – i to dlatego mówimy bez wahania o „wydmach” na Tytanie czy „wulkanach” na Marsie – to jednak najbardziej interesujące są wszystkie te małe, subtelne różnice. Każda planeta, każdy księżyc i każdy okruch skalny to swoisty twór, a poznając ich indywidualne cechy, przejawiające się choćby w wydmach, coraz lepiej poznajemy własną planetę.
ANNA ŁOSIAK
Geolożka planetarna, obecnie pracuje na Uniwersytecie w Exeter w UK badając małe kratery uderzeniowe na Ziemi. Związana z Instytutem Nauk Geologicznych PAN gdzie zajmowała się badaniami powierzchni Marsa. Absolwentka Uniwersytetu Warszawskiego, Michigan State University oraz Uniwersytetu w Wiedniu. Stypendystka Fulbrighta, Marie Sklodowska-Curie Actions Individual Fellowship i grantów NCN oraz Fundacji dla Nauki Polskiej. Okropny geek.Źródło:
WSZYSTKIE KOLORY PIASKU
Wątek: [Tygodnik Powszechny] WSZYSTKIE KOLORY PIASKU (Przeczytany 1513 razy)