الرياح والرمل والماء: تفسير جديد لظاهرة الكثبان الرملية على الأرض والمريخ

جالون = موجات صغيرة. تحدت دراسة دولية جديدة بقيادة جامعة بن غوريون النظرية السائدة القائلة بأن الظروف الفيزيائية المختلفة تسمح بتطوير السفن الشراعية غير الموجودة على الأرض

الكثبان الرملية هي أنماط ملفتة للنظر تم إنشاؤها بواسطة حركة الرياح على حبيبات الرمل. وهي شائعة في مناطق واسعة على سطح المريخ وعلى الأرض في مناطق الكثبان الرملية وعلى شاطئ البحر. تحدت دراسة دولية جديدة بقيادة جامعة بن غوريون في النقب النظرية السائدة القائلة بأن الظروف الفيزيائية المختلفة تسمح بتطوير السفن الشراعية غير الموجودة على الأرض. ولكن ماذا لو تمكنت نظرية واحدة موحدة من تفسير تشكلها على الكوكبين المختلفين في نظامنا الشمسي؟ من خلال سلسلة تجارب في أنفاق الرياح وتطوير نموذج رياضي مبتكر. ونشرت نتائج البحث في المجلة المرموقة طبيعة علوم الأرض .

اتحد علماء من الدنمارك وألمانيا وإيطاليا والصين والولايات المتحدة الأمريكية لإجراء بحث مشترك بقيادة الفيزيائي البروفيسور حازي اسحق، الجغرافي بروفيسور اسحق كتارا وطالب الدكتوراه ليئور سابان من جامعة بن غوريون في النقب من أجل فهم تشكيل ظاهرة الكثبان الرملية الفريدة التي لوحظت على كوكب المريخ ومؤخرا أيضا على الأرض. ولتحقيق هذه الغاية، قاموا بتطوير سلسلة من التجارب في أنفاق الرياح جنبًا إلى جنب مع نموذج رياضي مبتكر.

في ديسمبر 2015، قامت المركبة الفضائية كيوريوسيتي التابعة لناسا بتصوير الكثبان الرملية في حفرة غيل على المريخ، وأظهرت الصور أنماطًا مختلفة من الكثبان الرملية: الكثبان الكبيرة - على مقياس متر، والكثبان الصغيرة - على مقياس ديسيمتر على المريخ كان اكتشافا مهما للغاية، إذ لم يتم اكتشافه بعد على الأرض.

وزعم الباحثون أن السفن الشراعية الصغيرة تكونت نتيجة تأثير حبات الرمل التي تحملها الرياح، فعندما تصطدم هذه بالأرض الرملية تتسبب في تكوين أكوام صغيرة من الرمال تتطور مع مرور الوقت إلى سفن شراعية تتقدم في الاتجاه من الرياح. الجالونات الكبيرة حسب طريقتهم تكونت بسبب عدم الاستقرار الهيدروديناميكي مثل الجالونات التي تتشكل على الأرض تحت سطح الماء. وتوقعت النظرية أن الضغط الجوي على المريخ، وهو أصغر 100 مرة من الضغط الجوي على الأرض، لن يسمح بتطور كلا الحجمين من الجالونات على الأرض في نفس الوقت.

أرادت مجموعة البحث دراسة ما إذا كانت مثل هذه الظاهرة يمكن أن توجد في ظل ظروف الأرض (من حيث الضغط الجوي) ولذلك قامت ببناء سلسلة من التجارب التي أجريت في نفق الرياح في مختبر المحاكاة الإيولية في جامعة بن غوريون والذي يبلغ طوله 7 أمتار في النقب وفي نفق فريد يحاكي الضغط المنخفض على سطح المريخ يقع في جامعة أحروس في الدنمارك. وفحص العلماء أيضًا كيفية تأثير حجم الحبوب وضغط الهواء وسرعة الرياح على أبعاد الجالونات. ولتحقيق هذه الغاية، استخدموا كرات زجاجية صغيرة (حجمها 90 ميكرون) لتتناسب مع حجم جزيئات الرمل مع الظروف المريخية (يبلغ متوسط ​​حجم حبيبات الرمل في الكثبان الرملية على الأرض 250 ميكرون مقارنة بـ 100 ميكرون على المريخ). وشملت قياسات الارتفاع والطول الموجي للجالونات التي تطورت كدالة لسرعة الرياح وفي أوقات مختلفة طوال التجربة بالإضافة إلى مسح ثلاثي الأبعاد لمورفولوجية الجالونات.   

وأظهرت نتائج التجارب نمطا مشابها للذي اكتشف على سطح المريخ، ولكن على نطاق أصغر - جاليونات كبيرة بطول موجي حوالي 10 سم وفوقها جاليونات صغيرة بطول موجي 1 سم. ووفقا للنموذج الجديد، فإن الموجات الكبيرة تنشأ عن عدم الاستقرار الهيدروديناميكي، في حين أن الموجات الصغيرة هي موجات عادية، لذلك يبدو أن تأثير الرياح على حبيبات الرمل على المريخ يشبه إلى حد ما تأثير تدفق المياه عليه سطح الرمال على الأرض، ويعود ذلك إلى اللزوجة الحركية العالية للغلاف الجوي المريخي التي تحدد الطول الموجي للجالونات كما في جالونات الماء (الكثافة الحركية هي النسبة بين اللزوجة الديناميكية وكثافة التدفق).  

وأوضح أن "فهم فيزياء حركة الرمال بواسطة الرياح أمر مهم لفهم عمليات تصميم المناظر الطبيعية على الأرض وعلى المريخ، خاصة فيما يتعلق بإنشاء مستعمرات مأهولة مستقبلية على المريخ". البروفيسور حازي اسحق. "تخضع المناطق الكبيرة على سطح المريخ لتأثير العواصف الرملية والترابية، لذا فإن فهم هذه العمليات سيساعد المستعمرين الأوائل على التعامل بشكل أفضل مع بيئة المريخ الصعبة. إنه لأمر مدهش أن نقدم شيئًا جذريًا وجديدًا في هذا المجال الذي لقد قمت بالبحث منذ أكثر من 20 عامًا، بالطبع، يجب علينا مواصلة استكشاف الموضوع من خلال المزيد من التجارب الخاضعة للرقابة، ولكن من المثير أن نجد على الأرض ما يمكن رؤيته بوضوح على المريخ. قال البروفيسور هيزي اسحق.

تم دعم هذا البحث (المنحة رقم 1270/20) من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم، والمؤسسة الألمانية الإسرائيلية للبحث العلمي والتنمية (GIF) (المنحة رقم 155-301.10/2018)، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين، محطة التجارب الهندسية بتكساس إيه آند إم ومنحة يوروبلانيت رقم 871149 وبرنامج هورايزون 2020 للبحث والابتكار.

وضمت مجموعة البحث: البروفيسور حيزي اسحق وهو عضو في قسم الطاقة الشمسية والفيزياء البيئية، البروفيسور اسحق كتارا وهو عضو في قسم العلوم البيئية والمعلوماتية الجغرافية والتخطيط الحضري في جامعة بن غوريون في النقب.