火星の峡谷

火星の狭い水路と堆積物の刻まれたネットワーク
火星南部高地の峡谷、アルギュレ平原の南側。火星探査機HiRISE カメラによる 2014 年の画像

火星のガリーは、火星で発見された、狭く刻まれた小さな溝のネットワークと、それに伴う斜面下の堆積物堆積物である。地球のガリーに似ていることからその名が付けられた。マーズ・グローバル・サーベイヤーの画像で初めて発見されたガリーは、特にクレーターの壁などの急斜面で発生する。通常、各ガリーの先端には樹枝状の窪みが、基部には扇形のエプロンがあり、この2つを結ぶ1本の刻まれたによって、ガリー全体が砂時計のような形になっている。[1]クレーターがほとんどないため、比較的新しいと推定される。ガリーのサブクラスは砂丘の面に刻まれているのも発見されており[2]、それ自体はかなり新しいと考えられている。線状の砂丘ガリーは現在、季節的に繰り返し発生する地形と考えられている。[3]

ガリーのほとんどは、各半球において極方向 30 度に発生し、南半球ではその数が多い。ある研究では、ガリーはあらゆる方向に面した斜面で発生することがわかっている。[4]また別の研究では、極方向に面した斜面、特に南緯 30 度から 44 度の斜面では、ガリーの数が最も多いことがわかっている。 [5]数千個のガリーが見つかっているが、地球上の特定の地域に限られているようである。北半球では、アルカディア平原テンペ・テラアシダリア平原ユートピア平原で見つかっている。[6]南部では、アルギュレ盆地の北端、ノアキス・テラ北部、ヘラス流出路の壁沿いに高濃度で見られる。[6] 最近の研究では、火星表面の85%をカバーする54,040枚のCTX画像を解析し、4,861個の独立したガリー地形(個々のクレーター、丘、谷など)を発見しました。これは、合計で数万個のガリーに相当します。CTXはガリーの95%を解像できると推定されています。[7]

本稿では、ガリーの発見と研究の歴史を概説する。研究が進むにつれ、火星のガリーの形成原因は、最近の液体の水から急斜面を流れ下るドライアイスの破片へと変化してきたが、研究は継続されている。ガリーの形状、様相、位置、そして水氷に富むと考えられる地形との相互作用に基づき、多くの研究者は、ガリーの形成過程には液体の水が関与していると考えている。[8] [9] エプロンの体積をガリーの​​他の部分と比較すると、エプロンの体積ははるかに小さいことがわかる。したがって、多くの物質には消失した水と氷が含まれていた可能性がある。[10] [11] [12] [13]

水が関与していることを示すさらなる証拠として、乾いた流れには急峻ではないものの、水が関与していれば十分に急峻になるような斜面に溝がいくつか発生していることが挙げられます。[14] [15]また、いくつかの溝は岩盤まで40メートル以上浸食されており、これはドライアイスでは到底及ばないほど長い浸食期間を必要とします。[13]

しかし、これは依然として活発な研究が行われているテーマです。ガリーは非常に新しいため、火星のごく最近の地質学的過去には液体の水が存在していたことを示唆しており、これは現代の地表の居住可能性に影響を与える可能性があります。2014年7月10日、NASAは火星表面のガリーは主に二酸化炭素(CO2 )の季節的な凍結によって形成されたものであり、これまで考えられていた液体の水によるものではないと報告しました[16]

形成

主要部にラベルを付したガリーの画像。火星のガリーの主な部分は、アルコーブ、チャネル、エプロンである。このガリーにはクレーターが見られないことから、比較的新しいものと考えられる。写真はHiWishプログラムの一環としてHiRISEによって撮影された。撮影場所はファエトンティス四角形
ニュートン・クレーターの西側に位置するクレーター北壁のガリー群。1つのガリーのアルコーブとエプロンにラベルが付けられている。これらのガリーは、斜面下流端にモレーン状の尾根が見られ、現在は存在しない流氷の跡地に形成されたことを示唆している。これらのガリーはマントルに切り込まれており、マントルは粗い質感の下にある物質よりもはるかに滑らかであることに注目してほしい。画像はマーズ・グローバル・サーベイヤー撮影

発見された後、この溝を説明するために多くの仮説が提唱された。[17]しかし、科学の通常の進歩と同様に、より多くの観測が行われ、他の機器が使用され、統計的分析が採用されるにつれて、ある考えは他の考えよりももっともらしくなった。一部の溝は地球の土石流に似ていたが、多くの溝は典型的な土石流に十分な急勾配ではない斜面にあることがわかった。計算により、圧力と温度が液体二酸化炭素に適していないことが示された。さらに、溝の曲がりくねった形状は、土石流や液体二酸化炭素の噴出で生成されるものよりも流れが遅いことを示唆していた。液体二酸化炭素は、火星の薄い大気中では地面から爆発的に噴き出す。液体二酸化炭素は物質を100メートル以上も飛ばすので、溝は不連続であるはずだが、そうではない。[18]最終的に、ほとんどの仮説は、帯水層から来る液体の水、古い氷河(または積雪)の底で溶けたもの、または気候が温暖だったときに地中の氷が溶けたものに絞られました。[18] [19]

HiRISEによるクローズアップ画像は、流体が関与していたという考えを裏付ける詳細な情報を示しました。画像からは、水路が複数回形成されたことが示されています。大きな谷には小さな水路が見られ、谷が形成された後に別の谷が形成されたことを示唆しています。多くの事例において、水路は異なる時期に異なる経路を辿ったことが示されています。一部の水路では、ティードロップ型の島のような流線型の形状がよく見られました。[20] 以下の一連の溝の写真は、研究者が少なくとも一部の溝の形成に水が関与したと考える根拠となる形状を示しています。

しかし、さらなる研究によって別の可能性も浮上している。2010年10月に発表された研究では、砂丘にある溝の一部は、寒い冬の時期に固体の二酸化炭素が蓄積することで形成される可能性があると示唆されている。[21] [22]

2014年7月10日、NASAは火星表面の溝は、これまで考えられていたように液体の水ではなく、主に二酸化炭素(CO2または「ドライアイス」)の季節的な凍結によって形成されたと報告した。[16]

これらの溝の正確な原因は依然として議論の的となっている。ある研究では、地表の氷や積雪の融解が主な原因であると示唆されている。地球の表面積の約85%をカバーする54,000枚以上のCTX画像が調査された。[23]

帯水層

溝の窪みの多くは、帯水層から水が湧き出している場合に予想されるのと同じように、同じレベルにあります。さまざまな測定と計算により、溝が始まる通常の深さの帯水層に液体の水が存在する可能性があることが示されています。[18]このモデルの1つのバリエーションは、上昇する熱いマグマが地中の氷を溶かし、帯水層に水を流したというものです。帯水層は水が流れることができる層です。それらは多孔質の砂岩でできているかもしれません。帯水層層は、水が下がらないようにする別の層の上にあります(地質学用語では、不浸透性と呼ばれます)。帯水層の水は下がらないようにされているため、閉じ込められた水が流れる唯一の方向は水平方向です。最終的には、帯水層がクレーターの壁のような破断に達したときに、水が地表に流れ出す可能性があります。結果として生じる水の流れは壁を侵食して溝を形成する可能性があります。[24]帯水層は地球上で非常に一般的です。良い例は、ユタ州ザイオン国立公園 の「ウィーピング・ロック」です。[25]しかし、帯水層がガリーを形成したという考えは、孤立した山頂、例えば丘やクレーターの中央の山頂で見られるガリーを説明できません。また、ある種のガリーは砂丘にも存在するようです。帯水層は広い集水域を必要としますが、砂丘や孤立した斜面には存在しません。確認された元々のガリーのほとんどは斜面の同じ層から来ているように見えますが、このパターンには例外がいくつか見つかっています。[26]異なるレベルから来たガリーの例は、以下のロース・クレーターの画像とロス・クレーターのガリーの画像に示されています。

積雪

火星の表面の大部分は、厚くて滑らかなマントルで覆われており、これは氷と塵の混合物だと考えられている。[27] [28] [29]この数ヤードの厚さの氷に富んだマントルは陸地を滑らかにしているが、場所によってはバスケットボールの表面のような凹凸がある。このマントルは氷河のようなもので、ある特定の条件下ではマントルに混じった氷が溶けて斜面を流れ落ち、溝を作る可能性がある。[30] [20]計算によると、現在の条件下でも火星の1年のうち50日間、毎日0.3mmの流出が生じる可能性がある。[31] [32]このマントルにはクレーターがほとんどないことから、マントルは比較的若いと考えられている。このマントルの優れた画像は、 HiRISEが捉えたプトレマイオス・クレーター・リムの写真の下に示されている

氷に富むマントルは、気候変動の結果である可能性があります。[33]火星の軌道と傾斜角の変化は、極地からテキサス州に相当する緯度に至るまで、水氷の分布に大きな変化をもたらします。特定の気候期間には、極地の氷から水蒸気が大気圏に放出されます。水は、塵と混ざり合った霜や雪の堆積物として、低緯度地域の地表に戻ります。火星の大気には、大量の微細な塵粒子が含まれています。水蒸気はこれらの粒子上で凝縮し、水の重みで地表に落ちます。火星の傾斜角が最大となると、夏の氷冠から最大2cmの氷が剥がれ落ち、中緯度地域に堆積する可能性があります。この水の移動は数千年にわたって続き、最大約10メートルの厚さの雪層を形成する可能性があります。[34] [35]マントル層の最上部の氷が大気圏に戻ると、塵が残り、残りの氷を断熱します。[36]

何千もの溝の傾斜、向き、標高を比較したところ、データから明確なパターンが浮かび上がった。溝の高度と傾斜の測定結果は、積雪または氷河が溝と関連しているという考えを裏付けている。より急な斜面には日陰が多く、雪が保たれる。[5] 標高が高いほど溝の数ははるかに少なくなる。これは、高高度の薄い空気の中では氷がより多く昇華する傾向があるためである。例えば、タウマシア四角形は多くの急斜面を持つクレーターだらけである。ここは適切な緯度範囲にあるが、高度が高すぎるため、氷が昇華する(固体から直接気体になる)のを防ぐのに十分な圧力がなく、そのため溝がない。[37] [38]マーズ・グローバル・サーベイヤーからの数年分のデータを用いた大規模な研究は、溝は極に面した斜面にある傾向があることを示した。これらの斜面は日陰が多いため、雪が溶けるのを防ぎ、大きな積雪が積もるのを可能にする。[5]

一般的に、黄道傾斜角が大きい時期には氷冠が融解し、気温、気圧、湿度が上昇すると推定されています。この水分は中緯度地域、特に極地や急斜面といった日陰の多い地域に雪として蓄積されます。一年のある時期には、太陽光によって雪が融解し、その水が溝を形成します。

これらの積雪の直接的な証拠が最近初めて発見され、このマントルは実際には1%未満の塵と氷で構成されていることが示されました[39]。複数の火星年にわたって溝内で観測された変化は、現在露出している塵の氷が消失し、マントルとその下の岩石内にチャネルを形成するために溶けている可能性があることを示しています。[39]

地表氷(間隙氷)の融解

3つ目の説は、気候変動によって大気中の水蒸気から地表に堆積した氷が融解し、ガリーが形成されるというものです。温暖な気候下では、地表から数メートルが融解し、乾燥した寒冷なグリーンランド東海岸で見られるような「土石流」が発生する可能性があります。[40]ガリーは急斜面で発生するため、土壌粒子のせん断強度がわずかに低下するだけで、土石流が発生します。融解した地表氷から少量の液体水が流れ出すだけでも、侵食を引き起こす可能性があります。[41] [42] [43]しかし、地中の土壌の隙間に堆積した氷は、融解するのではなく、大気中に拡散して戻ってくる可能性が高いと考えられます。[44]同様の間隙氷の拡散は、フェニックスの着陸地点でも現地観測されています[45]

地表氷が関与していることを裏付ける研究グループが、ガリーは全く氷のない地域よりも、ある程度の地表氷がある地域に優先的に分布していることを発見しました。この研究では、大規模なガリーデータセットが使用されました。[46]

溝の最近の変化

ガリーが発見されるとすぐに、[1]研究者たちは多くのガリーを何度も撮影し、変化がないか探し始めました。[47] 2006 年までに、いくつかの変化が見つかりました。[48] その後、さらに分析した結果、変化は流水によるものではなく、乾燥した粒状の流れによって起きた可能性があることが判明しました。[49] [50] [51]継続的な観測により、ガサクレーターなどでさらに多くの変化が見つかりました。[52]溝は 0.5~1 メートル広がり、数メートルの大きさの岩が移動し、数百立方メートルの物質が移動しました。計算によると、現在の条件下では 50~500 年に 1 回程度の出来事でもガリーが形成される可能性があります。そのため、今日では液体の水はほとんどありませんが、現在の地質学的/気候的プロセスによってガリーが形成される可能性があります。[53] 大量の水や気候の大きな変化は必要ありません。[54]しかし、過去のガリーの中には、雪解け水など、より大量の水を伴う気象の変化によって促進されたものがある。[55]観測を繰り返すうちに、ますます多くの変化が見つかっている。変化は冬と春に起こるため、専門家はガリーが二酸化炭素の氷(ドライアイス)から形成されたのではないかと考えるようになっている。最近の研究では、2006年から356地点のガリーを調査するため、MROに搭載された高解像度画像科学実験(HiRISE)カメラが使用された。38地点で活発なガリー形成が見られた。前後の画像から、この活動の時期が季節的な二酸化炭素の霜と、液体の水が存在できない気温と一致していることがわかった。ドライアイスの霜が気体になると、特に急斜面で乾燥した物質が滑らかに流れるようになる。[56] [57] [58]年によっては、厚さ1メートルにもなる霜が雪崩を引き起こすことがある。この霜には主にドライアイスが含まれるが、微量の水氷も含まれている。[59]

HiRISEによる観測では、南半球のガリー、特に淡水と思われるガリーにおいて、広範囲にわたる活動が見られています。顕著な水路の浸食と大規模な土砂移動が観測されています。[60] [61] 形成に液体の水が必要であると考えられていた蛇行した水路は、液体の水が存在しないわずか数年で形成されることが確認されています。[62] ガリーの活動時期は季節性があり、季節霜が発生し、その後解氷する時期に発生します。[63]

これらの観察結果は、現在活発なガリー形成が主に季節的なCO2によって引き起こされているというモデルを裏付けています。 [60] [64] 2015年の会議で発表されたシミュレーションでは、地下に閉じ込められた高圧CO2ガスが土石流を引き起こす可能性があることが示されています。 [ 65 ] これにつながる条件は、ガリーが発生する緯度で見られます。 [66] この研究は、「CO2昇華によって引き起こされる土石流による火星のガリー形成」と題された後続の論文で説明されています。[67] このモデルでは、CO2は寒い冬に蓄積されます。氷で固められた土砂からなる凍った永久凍土層の上に積み重なります。春に太陽光がより強くなり始めると、光が半透明のドライアイス層を透過し、地面を温めます。CO2氷熱を吸収して昇華します。つまり、固体から直接気体へと変化します。このガスは氷と凍った地面の間に閉じ込められているため、圧力が高まります。最終的に、圧力が高まり、氷を突き破って土粒子を巻き込むほどの爆発が起こります。土粒子は加圧されたガスと混ざり合い、斜面を流れ落ちて溝を刻む流体として作用します。[68]

砂丘にある溝の観察は、現在の溝の変化はドライアイスによって引き起こされる可能性があるという考えを支持している。[60] [69]砂丘の溝の中には、わずか1年で顕著に変化するものが観察されているものもある。ドライアイス、つまり固体の二酸化炭素は、寒い冬に蓄積され、暖かくなり始めると溝に変化が現れる。ドライアイスが昇華するときに砂の流れを引き起こしている可能性があると考えられている。放出された二酸化炭素ガスが流れを加速させる。研究者チームは、マタラクレーター(南緯49.5度、東経34.9度 - ノアキス四角形)の砂丘の溝の変化を5年間調査した。毎年、変化があった。変化は溝の長さ、溝の曲がり具合、そしてアルコーブとエプロンの両方の容積の変化であった。アルコーブは物質を失い、エプロンは物質を増やした。わずか1火星年の間に、エプロンの長さは800メートルから940メートル近くまで伸びました。[70]

CO2霜モデルの主な問題点は、岩石の侵食を説明しようとする点にある。CO2霜が緩い物質を運ぶという証拠は数多く存在するものの、昇華したCO2ガスが岩石を侵食・風化させて溝を形成する可能性は低いと思われる[ 39 ] [71]むしろ、CO2は既存の溝を変化させるだけかもしれない。

火星探査機マーズ・リコネッサンス・オービター搭載の小型火星探査画像分光計(CRISM)と高解像度画像科学実験(HiRISEのデータを用いて、研究者らは火星の100以上のガリー遺跡を調査したが、特定の鉱物がガリーとより関連している可能性、あるいは最近の液体の水によって形成されたと考えられる含水鉱物の形成と関連しているという証拠は見つからなかった。この研究は、液体の水がガリーの形成に関与していなかったという証拠を追加した。[72] [73]しかし、前述のように、凍結に近い条件下で積雪が融解して生成されると考えられる量の液体の水が、そもそも化学的風化を引き起こす可能性は低い。[32]

一部の研究者は、特に過去には、峡谷の形成にはドライアイスと液体の水の両方が関与している可能性があると考えています。[63] [74] [75]

傾斜の変化が気候に及ぼす影響

数百万年前、火星の軸の傾きは現在の25度ではなく、45度だったと推定されています。[76]火星の軸の傾きは、地球に対して比較的大きな月が安定しているのとは異なり、2つの小さな衛星がそれを安定させることができないため、大きく変化します。[34] [77]傾斜角が大きい時期には、夏の太陽光線が中緯度のクレーター表面に直接当たるため、表面は乾いたままになります。

地軸の傾きが大きいと、極地の氷冠が消失し、大気の厚さと湿度が上昇することに注意してください。これらの条件により、地表に雪や霜が発生します。しかし、夜間や日中の涼しい時間帯に降った雪は、日中が暖かくなると消えてしまいます。

秋が近づくと状況は一変します。極地側の斜面は一日中日陰になり、秋から冬にかけて雪が積もるようになります。

春のある時点では、地面は十分に暖かくなり、気圧も一日の特定の時間帯に液体の水が形成されるのに十分な高さになります。浸食によってガリーを形成するのに十分な水があるかもしれません。[20]あるいは、水が地面にしみ込み、後に土石流となって流れ下ることもあります。このプロセスによって形成された地球上のガリーは、火星のガリーに似ています。火星の傾斜の大きな変化は、ガリーと特定の緯度帯との強い関係と、ほとんどのガリーが日陰の極に面した斜面に存在するという事実の両方を説明しています。モデルは、ガリーが一般的である場所では、高傾斜時の圧力/温度変化が液体の水が安定するのに十分であるという考えを支持しています。

2015年1月に発表された研究によると、これらの季節的な変化は過去200万年(40万年前から200万年前)以内に起こり、氷の融解による峡谷の形成に適した条件を作り出した可能性があると示唆されています。[78] [79]

今日、液体の水が存在することは不可能であるにもかかわらず、溝の小さな変化に気づいています。しかし、過去には水が関与していた可能性があります。実際、大規模な研究チームがサイエンス誌に発表した論文では、火星の傾きが35度になった際に、溝が形成された場所に水が存在していたことが示されています。火星はこれまで何度もこのような変化を経験しており、最後に起こったのはわずか63万年前です。[80]

火星の同じ場所に見られる、特徴的な最近のガリー(青い矢印)と、より古く劣化したガリー(金色)。これらは、過去200万年の間に周期的な気候変動があったことを示唆している。

溝の関連特徴

急峻な斜面には、ガリーに加えて他の特徴も見られます。ガリーの底部には、湾曲した尾根や窪地が見られることがあります。これらは「へら状の窪地」と呼ばれています。火星の気候サイクルの特定の段階では、クレーターの壁などの壁に沿って氷がしばしば蓄積されます。気候が変化すると、この氷は火星の薄い大気中に昇華する可能性があります。昇華とは、物質が固体から直接気体へと変化することです。地球上のドライアイスも同様です。そのため、急峻な壁の底部の氷が昇華すると、へら状の窪地が形成されます。また、壁の上部からはより多くの氷が下方に流れ落ちる傾向があります。この流れは表面の岩石の破片を引き伸ばし、横方向のクレバスを形成します。このような地形は、昔の洗濯板に似ていることから「洗濯板地形」と呼ばれています。[81]ガリーの各部とそれに関連するいくつかの特徴は、以下のHiRISE画像に示されています。

火星周辺の画像

ファエトンティスの四角形の峡谷

フェトンティス四角形には、近年の流水によるものと思われる多くの峡谷が点在しています。ゴルゴヌム・カオス[82] [83]や、コペルニクス・クレーターやニュートン・クレーター(火星クレーター)付近の多くのクレーターにも、そのような峡谷が見られます[84] [85]

エリダニア四角形の
アルギュレ四角形の
タウマシア四角形の
マーレ・アキダリウムの四角形の峡谷
アルカディア中庭の
ディアクリア四角形の溝
ノアキス四角形の
カシウス四角形の
イスメニウス・ラクスの四角形の峡谷
イアピギア四角形の
ヘラス四角形の

砂丘の峡谷

一部の砂丘には溝が見られます。これらはクレーターの壁など、他の場所の溝とは多少異なります。砂丘の溝は、長い距離にわたって同じ幅を保っており、多くの場合、エプロンではなく、窪みで終わっています。溝の幅は数メートル程度で、側面には盛り上がった土手があります。[86] [55] このような溝の多くは、ラッセル(火星クレーター)の砂丘で見られます。冬には砂丘にドライアイスが堆積し、春になると暗い斑点が現れ、暗い色の筋が斜面を下って伸びていきます。ドライアイスがなくなると、新しい溝が見えます。これらの溝は、ドライアイスの塊が急斜面を下って移動することによって生じたものかもしれませんし、ドライアイスから砂が移動し始めたのかもしれません。[87] [88] 火星の薄い大気中では、ドライアイスは二酸化炭素を勢いよく排出します。[89] [86]

参照

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  • [1] ドライアイスが砂丘に溝を形成する様子を示すビデオ
  • NASA天文写真集:火星の雪解けと峡谷(2003年2月21日)
  • NASA天文写真集:火星の峡谷(2003年6月23日)
  • NASA天文写真集:火星のドライアイスそりの筋(2013年6月17日)
  • [2] 溝の起源に関する多くの理論を概説する。
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