Kako promjene ekstremnih temperatura u pustinji uzrokuju kovitlanje mješavine pijeska i prašine

Razumijevanje kretanja čestica, od kojih neke završe i u atmosferi, moglo bi pomoći znanstvenicima da poboljšaju klimatske modele i predvide pješčane oluje na Marsu

Područje Bijelih dina je pusto i izolirano, daleko od bilo kakvih ljudskih aktivnosti, karakteristike zbog kojih je 1945. g. pustinja New Mexico bila idealno mjesto za testiranje prve atomske bombe na svijetu. I danas služi kao poligon za lansiranje raketa. Pustoš od bijelog gipsanog pijeska površine preko 700 četvornih kilometara također pruža idealno mjesto za geomorfologa Andrewa Gunna da izvedbu dosad neviđenog terenskog eksperimenta.

Zbog mogućnosti da ondje rade u miru i bez brige da će im lopovi ukrasti skupocjenu opremu, Gunn i njegovi kolege pokušavali su otkriti mehanizme kretanja pijeska. Točnije, pokušali su utvrditi jesu li dnevne promjene u temperaturi i vjetru u Zemljinoj atmosferi dovode do predvidljivih kretanja pijeska i prašine. Utvrđivanje uzroka i posljedice na ovom dijelu pustinje bio bi ključni korak u predviđanju kako kretanje čestica na površini planeta utječe na vrijeme.

"Polje dina je vrlo čudno, nekako negostoljubivo, djeluje pomalo izvanzemaljski", kaže Gunn.

Geomorfologija, koju je Gunn studirao na Sveučilištu Pennsylvania, proučava načine na koji se led, voda i zrak oblikuju i mijenjaju reljef. Na području Bijelih dina gdje temperature variraju od - 28 stupnjeva Celzija noću do 35 stupnjeva danju, Gunn je otkrio da ekstremne promjene temperatura generiraju snažne vjetrove koji pomiču dine i pumpaju prašinu u atmosferu. Otkriće, koje je objavljeno u Geophysical Research Letters [časopis koji objavljuje Američka geofizička unija] početkom ove godine, pomoći će znanstvenicima u stvaranju klimatskih modela kako ovdje na Zemlji, tako i na Marsu.

Pustinje pokrivaju otprilike trećinu Zemljine površine i bitan su dio klimatskog sustava. Kad se pijesak pretvori u prašinu, vjetrovi i oluje podignu ga u atmosferu gdje ulazi u globalni sustav cirkulacije sedimenata koji opskrbljuje fitoplankton u oceanu hranjivim tvarima, hrani biljni svijet u Amazoniji i čak utječe na formiranje oblaka. Nekoliko studija istraživalo je kako vremenski događaji poput nevremena i pješčanih oluja unose prašinu u sustav, no studije o tome kako normalne promjene vremena utječu na kretanje sedimenta su rjeđe.

Gunn i njegov tim uputili su se prema Bijelim dinama u proljeće 2017. i 2018. - za vrijeme vjetrovite sezone - "naoružani" samo hipotezom i gomilom opreme kako bi je provjerili. Znanstvenici su mislili da kako se Zemljina površina i niži slojevi atmosfere sve više zagrijavaju, da će postati topliji od zraka iznad, što će stvoriti vjetrove koji će uskovitlati pijesak. Istraživači su koristili doppler lidar stroj kojim su uputili laserske zrake u zrak kojim su mjerili vjetrovae otprilike 1000 stopa iznad površine. Za bilježenje topline i vlage koristili su toranj na solarni pogon sa senzorima, nazvan meteorološki jarbol. Senzor za saltaciju pijeska otkriven je kad se pomaknulo i jedno zrno pijeska. A u laboratoriju su analizirali satelitske slike koristeći algoritam strojnog učenja za mjerenje prašine koja ulazi u atmosferu.

Otkrili su da ujutro sunčeva svjetlost zagrijava zemlju koja pak zagrijava donje dijelove atmosfere do te mjere da ona postaje nestabilna i počinje se miješati - s vrućim, manje gustim zrakom koji se diže i hladnijim, a gušćim zrakom koji se skuplja pri dnu. Taj proces uzburka atmosferu i na kraju povuče struju jakih vjetrova koji pušu gore na dno.

"Smatramo da su zapravo polja dina zaslužna za te jake vjetrove", kaže Gunn.

Oko podneva, kad je površina bila najzagrijanija, tim je otkrio da je brzina vjetra dosegla najveću brzinu, a vlaga iz pijeska je isparila. Pijesak je poskakivao duž površine, a prašina je završavala u atmosferi. Nakon zalaska sunca temperatura zraka i pijeska je brzo pala. Brzina vjetra na površini se drastično smanjila i zrna pijeska su se slegla. Svaki se dan postupak ponavljao, a krajolik pustinje se mijenjao i sve više prašine je završavalo u atmosferi.

"„Premještanje pijeska, kretanje dina i širenje prašine – sve je to duboko povezano s dnevnim temperaturnim ciklusima,“ Gunn.", objašnjava Gunn.

Nakon istraživanja u White Sandsu, Gunn i njegovi kolege proučili su meteorološke podatke prikupljene tijekom deset godina s 45 polja dina diljem svijeta kako bi provjerili mogu li pronaći dokaze o istom procesu. Rezultati su bili slični onima u White Sandsu: veće temperaturne razlike rezultiraju jačim vjetrovima pri tlu.

Na svoje iznenađenje otkrili su i da veličina pustinje ima utjecaj na jačinu vjetra. Što je područje dina šire, to je povezanost između temperaturnih promjena, brzine vjetra i premještanje pijeska izraženije.

Otkriće ovog dnevnog ciklusa topline te kretanja pijeska i prašine moglo bi unaprijediti modele klime, navodi Doug Jerolmack, eksperimentalni geofizičar sa Sveučilišta Pennsylvania i suautor istraživanja. Ovi modeli, koji koriste podatke o emisiji prašine za predviđanje formiranja oblaka, korisni su klimatolozima i meteorolozima u izradi preciznih prognoza vremena. Oblaci imaju važnu i složenu ulogu u regulaciji Zemljine temperature, ali ih je teško precizno modelirati. Detaljniji podaci o prašini mogli bi pomoći znanstvenicima da bolje shvate procese formiranja, širenja i međusobnog djelovanja oblaka.

„Postoji niz čestica oko kojih se voda skuplja kako bi nastali oblaci, no dvije najvažnije su prašina i morska sol,“ objašnjava Jerolmack. „Ova konvektivna nestabilnost u pustinji sada djeluje poput vertikalne pumpe koja podiže prašinu i prenosi je u gornje slojeve atmosfere, gdje može potaknuti stvaranje oblaka.“

Lori Fenton, planetarna znanstvenica iz SETI Instituta koja nije bila dio studije, smatra da se sličan proces kao u White Sandsu najvjerojatnije odvija i na Marsu, možda čak i s izraženijim promjenama temperature i vlage. „Pijesak u marsovskim dinama tamniji je od okolnog tla, što dodatno povećava konvektivnu nestabilnost i uzrokuje snažnije nalete vjetra,“ navodi Fenton.

Sve donedavno znanstvenici su smatrali da su pješčane dine na Marsu formirane davno i da su u takvom obliku ostale do danas. Ipak, uočena kretanja dina na Crvenom planetu pokazuju da se neka područja, poput Nili Patere, Styrtis Majora i Mawrth Vallisa, mijenjaju pod utjecajem sadašnjih klimatskih uvjeta.

Pješčane oluje na Marsu, koje često započnu lokalno, a potom se mogu proširiti i prekriti cijeli planet, možda se djelomično mogu objasniti Gunnovim istraživanjima. Atmosferski mehanizmi otkriveni u White Sandsu mogli bi biti ono što pokreće početne čestice prašine koje stvaraju lokalne oluje. „Formiranje velikih pješčanih oluja koja obuhvaćaju cijeli planet još uvijek su neriješena enigma u proučavanju Marsa,“ ističe Fenton.

Očekuje se da će NASA-in rover Perseverance, koji trenutno istražuje površinu Marsa, tijekom svoje misije prijeći pješčane dine u blizini kratera Jezero na putu prema drevnoj riječnoj delti. Njegovi senzori prikupljat će podatke o temperaturi tla, brzini i smjeru vjetra te količini prašine – slično eksperimentu koji je Gunn proveo u White Sandsu. Ovi podaci pomoći će utvrditi potiče li intenzivno zagrijavanje jače vjetrove na Crvenom planetu..

Točna predviđanja kretanja prašine na Marsu bitna su i iz praktičnih razloga. Tako je 2018. NASA-in rover Curiosity izgubio mogućnost punjenja baterije nakon što ga je zahvatila pješčana oluja.„Kako planiramo slati sve više opreme, pa čak i ljude na Mars, važno je razumjeti kako vjetrovi ondje djeluju,“ kaže Jean-Philippe Avouac, geolog i planetarni znanstvenik s CalTecha. „Ako pušu snažni vjetrovi i nose velike količine pijeska, oprema bi mogla pretrpjeti znatna oštećenja, što bi predstavljalo ozbiljan problem.“