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地球、火星和木衛二的表面裂縫能否預測其他行星的宜居性？

作者：change?  於 2025-3-17 02:13 發表於 最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

通用分類:房前屋后|已有1評論



地球物理學家道格拉斯·傑羅馬克 (Douglas Jerolmack) 利用為了解地球裂縫模式而開發的數學框架，調查了整個太陽系的二維裂縫網路( survey two-dimensional fracture networks across the solar system)，這可以為探測其他行星上潛在的宜居環境提供參考。

Six closeup images of the surfaces of Earth, Mars, and Europa, and the celestial bodies themselves.
（從上到下）三個不同星球的表面裂縫模式：火星、木衛二和地球，揭示了裂縫在截然不同的環境條件下是如何形成的。賓夕法尼亞大學地球物理學家道格拉斯·傑羅馬克和長期合作者加博爾·多莫科斯利用他們為理解地球裂縫模式而開發的數學框架，調查了整個太陽系的二維裂縫網路。他們的發現可以為探測其他行星上潛在的宜居環境提供參考。


當地球上的泥灘崩塌、木星衛星（木衛二）上的冰蓋碎裂、火星上古老的湖床破裂時，這些裂縫是否遵循著隱藏的幾何圖案？另一顆星球上的類似圖案是否暗示那裡曾經存在過水——並且可能維持著生命？

對大多數人來說，這些問題只是無聊的好奇，但對賓夕法尼亞大學地球物理學家道格拉斯·傑羅馬克和布達佩斯技術與經濟大學的數學家加博爾·多莫科斯來說，這些問題是解讀太陽系遙遠行星表面的關鍵。

他們發表在《美國國家科學院院刊》上的最新研究表明，行星體斷裂的方式並非隨機事故，他們的發現可以為探測其他星球上潛在的宜居環境提供參考。

「奇怪的是，大自然在截然不同的環境中一直偏愛相同的模式，」地球與環境科學 Edmund J. 和 Louise W. Kahn 特聘教授 Jerolmack 說道。「我們預計會有一些一致性，但行星表面組織成可預測的裂縫幾何形狀的程度——無論是冰、岩石還是泥土——令人驚訝。這表明這些模式是基本的，而不僅僅是特定行星的怪癖。」

他們的見解建立在之前的研究基礎上，該團隊證實了古希臘哲學家柏拉圖的預言，柏拉圖曾宣稱地球本身是由立方體單元組成的。在那篇論文中，他們證明了，「令人驚訝的是，如果你拿出產生的數千個碎片，測量它們的數量，計算面、角和邊的數量，然後取平均值，」Jerolmack 說，「那麼你最終會得到面的平均數為 6，頂點的平均數為 8，邊的數量為 12。」

然而，他們最近的研究重點是行星表面的二維裂縫網路，研究行星體薄殼上的裂縫模式，而不是單個碎片的形狀。

「我們想解釋現在其他行星上的模式，因為問題是，我們無法看到它們是如何演變的，」多莫科斯說。「我們不在那裡。我們無法回到過去。」

他解釋說，挑戰在於他們正在處理一張動態圖片的單幀——行星表面裂縫模式當前狀態的凍結快照。創造這些網路的力量不再可直接觀察到，而裂縫可能仍在向某個未知的未來狀態演變。

「但如果從這張快照中，你可以推斷齣電影的整個情節呢？」多莫科斯問道。

破解裂縫的密碼
為了回答這個問題，博士生索菲·西爾弗 (Sophie Silver) Jerolmack 實驗室的候選人首先研究了整個太陽系的行星圖像，以了解大自然是否偏愛某些幾何圖案。

「我查看了一系列行星表面的衛星圖像，將它們與實驗室實驗和地球上的地質構造進行了比較，並試圖找出它們裂縫網路中獨特的『指紋』或幾何特徵，」Silver 說。

他們的方法包含一個簡單的分類系統，可以分析三種類型的裂紋連接點的相對比例：T 型、X 型和 Y 型。

Cracks on the surface of Mars, Earth, and Europa
這些圖片重點展示了火星表面的裂縫（上排）、木星衛星木衛二的冰殼（左下）以及地球上的類似裂縫（中下和右下）。雖然每種環境在溫度、物質成分和規模上都大不相同，但裂縫模式卻相似，為塑造這些行星表面的地質力量提供了線索。
（圖片：由 Sophie Silver 和 Krisztina Regős 提供）


「T 形結構類似於磚牆。它們是最常見的，也是最無趣的——我們在地球上和太空中隨處可見——它們與反覆斷裂形成的分層裂縫網路有關，」Silver 說。

然而，以 X 形結構為主的網路很少見——而且它們只出現在冰中。「到目前為止，除了地球，我們只在木衛二上發現了 X 形結構，木衛二是木星四顆最大衛星中最小的一顆，」她指出。這些圖案表明裂縫癒合和重疊——當裂縫被密封（通常是通過重新凍結水）時，新的裂縫會通過癒合區域傳播，與舊裂縫相交形成 X 形。

另一方面，形成蜂窩狀圖案的 Y 形連接開始是 T 形連接，然後通過反覆的膨脹和收縮——例如在泥漿中的乾濕循環和冰中的冷熱溫度變化中看到的情況——扭曲成 Y 形。

模擬行星表面的演變

數學家 Krisztina Regős 是布達佩斯技術與經濟大學的博士候選人，她與導師 Domokos 和數學家 Péter Bálint 一起完善了數學框架，將斷裂網路視為不斷發展的馬賽克，其圖案由其自身特定的物理約束形成。

彌合物理過程與其形成的圖案之間的差距有助於數學家所謂的動態系統理論的發展。

「如果我們了解控制裂縫形成和變化的規則，我們就可以『倒帶』並重建電影中缺失的幀，」Domokos 說。「如果我們有行星表面在數千年內變化的實際延時鏡頭，我們就可以觀看和學習。但由於我們沒有，我們必須創建一個數學模型，讓我們從空間中提取時間。」

Regős 的模型將裂縫模式映射到一個符號平面上——一個抽象的數學空間，在這個空間中可以追蹤裂縫網路隨時間的變化。通過分析裂縫馬賽克的平均幾何特性，特別是 T、X 和 Y 連接的比例，並觀察它們在符號平面內的聚集情況，研究人員可以推斷出這些網路是如何形成的，即使在沒有直接觀察的情況下也是如此。

Forthcoming
在左上圖中，這些圖根據「細胞度」（垂直軸）和「節點度」（水平軸）對來自多個行星和一顆衛星的裂縫網路進行分類——火星（紅色數字 1-9）、金星（綠色數字 10-13）、木衛二（藍色數字 14-15）和地球（黑色數字 16-18）。在右上圖中，行星的網路按 T 形、X 形和 Y 形裂縫連接點的相對比例繪製。每個編號數據點下方的圖像顯示了裂縫的實際示例，揭示了在截然不同的行星條件下如何出現相似的裂縫模式。
（圖片：由 Sophie Silver 和 Krisztina Regős 提供）


「我們沒有行星表面在漫長歲月中開裂和移動的影像，」Donokos 說，「但這個模型讓我們能夠創建類似的東西。通過使用結合斷裂和變化規則的動態模型，我們可以非常接近地展示演化過程，預測裂縫網路如何開始以及可能如何結束。」

為了驗證他們的方法，該團隊將他們的模型的預測與地球、火星、金星和木衛二上現有的斷裂模式地質觀測進行了比較。該模型的預測與每種情況下與斷裂網路形成相關的地質信息相一致，這使得研究人員將他們的模型描述為「非常好的猜測」。

展望未來
「這個項目始於對裂縫網路極其簡單的幾何分類，」Jerolmack 指出。「然後，動態系統理論將不同的開裂機制提煉為極其簡單的幾何規則。我們創建了一個由斷裂模式和過程組成的玩具宇宙；令人震驚的是，實際宇宙似乎很樂意遵循這個模型。但我們需要對此進行更多測試。」

Silver 目前正在開展實驗，旨在在受控條件下重現行星開裂過程——特別是模擬火星上的泥裂和木衛二上的冰裂。這些實驗將使研究人員能夠真正觀看裂縫網路演變的電影，使團隊能夠對動態裂縫模型進行強有力的測試。

「我希望展示這些實驗結果以及它們如何證實該模型將影響更多人在行星表面、地球表面甚至實驗室環境中實施這種方法，」Silver 說。

「我理想情況下希望看到這種方法被廣泛複製並被多個不同領域的多個人使用……可能確定發射探測器的好地方；例如，如果有人想到『哦，這個地方有很多六邊形——也許這意味著它被弄濕了又幹了』，並想到發射探測器，那就太酷了。」

雖然他們在未來 20 到 30 年內不會有來自其他星球的實際電影，但他們計劃使用來自太空任務的靜態圖像繼續構建工具和框架，以推斷每個星球可能發生的事情和未來會發生什麼。

「這是一個從事這個行星際項目的絕佳機會，」Regős 說，「因為即使你現在還不能製作這些電影，我認為它也會對我們如何進行太空旅行產生影響。」

該團隊熱切期待美國宇航局的木衛二快船（定於 2030 年抵達木星）和歐空局的木星冰衛星探測器（Juice）的到來，這兩艘飛船已在前往木星衛星的途中，因為它們將提供冰雪覆蓋世界的高解析度圖像，為測試其框架提供新的機會。

「我們已經建立了這個理論結構，但真正的考驗將在我們獲得這些行星表面的最新高解析度圖像時到來，」Jerolmack 說。「有了來自即將執行的任務的更詳細數據，我們可以改進我們的模型，測試其預測能力，甚至確定我們應該尋找過去水活動證據的地方。」

該團隊還希望與研究火星古老湖床和木衛二冰殼的行星地質學家合作，利用他們的方法對這些景觀的環境條件做出更精確的推斷。

Douglas Jerolmack 是賓夕法尼亞大學藝術與科學學院地球與環境科學系和工程與應用科學學院機械工程與應用力學系的教授。

Gábor Domokos 是布達佩斯技術與經濟大學 HUN-REN-BME 形態動力學研究小組的教授兼主任。

Sophie Silver 是賓夕法尼亞大學藝術與科學學院的博士候選人。

Krisztina Regős 是布達佩斯技術與經濟大學的博士候選人。

這項研究得到了 NASA PSTAR（撥款 80NSSC22K1313）、匈牙利研究基金（撥款 149429）、匈牙利創新與技術部（通過布達佩斯技術與經濟大學）、本傑明·富蘭克林獎學金（通過賓夕法尼亞大學）和阿爾布雷希特科學獎學金的支持。

(賓夕法尼亞大學藝術、人文與社會科學研究2025 年 3 月 )


通過觀察和模擬地表過程了解地質變化 (B. Boatwright)
標題：通過觀察和建模行星表面過程了解地質變化
演講者：Benjamin Boatwright（申請人）
摘要：
我將回顧過去幾年我在火星和月球行星表面過程方面所做的工作。我對早期火星氣候歷史的研究涉及對可能通過冰川融化形成的冰前古湖和坑底隕石坑的描述，這與預測周圍「寒冷和冰冷」條件的早期火星氣候模型一致。我在火星上的工作已經擴展到地形擴散建模，其中我描述了大氣過濾和隕石坑大小頻率分佈對撞擊引起的擴散過程的影響。最後，我將回顧我發布的開源數據存儲庫，其中包含火星和月球的數字高程模型，包括月球南極候選阿爾忒彌斯著陸點的 DEM。我將展示這些數據集可能用於 3-D 可視化的一些應用示例。

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回復 change? 2025-3-17 03:10
之前的研究（2020年）

柏拉圖是對的。地球平均由立方體構成

藝術與科學學院的道格拉斯·傑羅馬克及其同事發現，這位古希臘哲學家發現了一些秘密。

藍天下的柏拉圖雕像

古代哲學家柏拉圖推測宇宙由特定的幾何形狀組成；地球則由立方體構成。一個多學科研究小組的研究結果證實了柏拉圖的觀點。

生活在公元前 5 世紀的希臘哲學家柏拉圖認為宇宙由五種物質構成：土、氣、火、水和宇宙。每種物質都具有特定的幾何形狀，即柏拉圖式的形狀。對於地球來說，這種形狀就是立方體。

科學已經逐漸超越了柏拉圖的猜想，轉而將原子視為宇宙的基石。然而，研究人員發現，柏拉圖似乎發現了一些秘密。

在《美國國家科學院院刊》的一篇新論文中，賓夕法尼亞大學、布達佩斯技術與經濟大學和德布勒森大學的團隊利用數學、地質學和物理學證明了地球上岩石的平均形狀是立方體。

「柏拉圖被廣泛認為是第一個提出原子概念的人，原子的概念是物質由最小尺度上一些不可分割的成分組成，」賓夕法尼亞大學藝術與科學學院地球與環境科學系和工程與應用科學學院機械工程與應用力學系的地球物理學家道格拉斯·傑羅馬克說。「但這種理解只是概念上的；我們現代對原子的理解與柏拉圖告訴我們的完全不同。

「有趣的是，我們發現岩石或地球不僅僅有柏拉圖的概念血統。事實證明，柏拉圖關於地球元素由立方體組成的概念實際上是真實地球的統計平均模型。這真是令人難以置信。」

該小組的發現始於布達佩斯技術與經濟大學數學家 Gábor Domokos 開發的幾何模型，他的工作預測天然岩石將碎裂成立方體形狀。

「這篇論文是三年認真思考和工作的成果，但它回歸到一個核心思想，」Domokos 說。「如果你取一個三維多面體形狀，將其隨機切成兩塊，然後反覆切割這些碎片，你會得到大量不同的多面體形狀。但從平均意義上講，碎片的最終形狀是立方體。」

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岩石照片，上面覆蓋著白線和紅圈，表示它們的邊和頂點
研究小組測量並分析了他們收集的岩石以及之前收集的數據集的碎裂模式。 （圖片：作者提供）
Domokos 讓兩位匈牙利理論物理學家參與進來：碎裂專家 Ferenc Kun 和統計和計算模型專家 János Török。Jerolmack 說，在討論了這一發現的潛力后，匈牙利研究人員將他們的發現帶給了 Jerolmack，共同研究地球物理問題；換句話說，「大自然是如何讓這種情況發生的？」

「當我們把這個帶給 Doug 時，他說，『這要麼是一個錯誤，要麼是一個大問題，』」Domokos 回憶道。「我們回過頭來了解導致這些形狀的物理原理。」

從根本上說，他們回答的問題是岩石碎裂時會形成什麼形狀。值得注意的是，他們發現核心數學猜想不僅將地球上的地質過程統一起來，還將太陽系周圍的地質過程統一起來。

「碎裂是一種無處不在的過程，它正在磨碎行星材料，」Jerolmack 說。「太陽系中到處都是冰和岩石，它們不斷地破碎。這項研究為我們提供了從未見過的這個過程的跡象。」

這種理解的一部分是，從以前固體物體中分離出來的成分必須無縫地拼接在一起，就像一個即將破碎的盤子掉下來一樣。事實證明，在所謂的柏拉圖形式（邊長相等的多面體）中，唯一無縫拼接在一起的是立方體。

「我們小組推測的一件事是，柏拉圖很可能看著一塊岩石露頭，在潛意識中處理或分析了圖像后，他推測平均形狀就像一個立方體，」Jerolmack 說。

「柏拉圖對幾何非常敏感，」Domokos 補充道。據傳說，「不懂幾何者不得入內」這句話刻在柏拉圖學院的門上。「他的直覺，加上他對科學的廣泛思考，可能使他產生了立方體的想法，」多莫科斯說。

為了測試他們的數學模型是否適用於自然界，該團隊測量了各種各樣的岩石，包括他們收集的數百塊岩石和來自古代的數千塊岩石。

為了測試他們的數學模型是否適用於自然界，該團隊測量了各種各樣的岩石，其中數百塊是他們收集的，數千塊是從之前收集的數據集中收集的。無論這些岩石是從大型露頭自然風化而成，還是被人類炸毀，該團隊都發現它們與立方體平均值非常吻合。

然而，存在著似乎打破立方體「規則」的特殊岩層。北愛爾蘭的巨人之路就是一個例子，它有高聳的垂直柱，是由玄武岩冷卻的不尋常過程形成的。這些岩層雖然罕見，但仍包含在該團隊對碎裂的數學概念中；它們只是通過工作中的不同尋常的過程來解釋。

「世界是一個混亂的地方，」傑羅馬克說。「十有八九，如果一塊岩石被拉開、擠壓或剪切——通常這些力是同時發生的——你最終會得到平均呈立方體形狀的碎片。只有當你處於非常特殊的壓力條件下時，你才會得到其他的東西。地球並不經常這樣做。」

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木星衛星木衛二破裂表面的視圖
科學家們發現的斷裂模式不僅可以在地球上找到，還可以在太陽系周圍找到，包括木星衛星木衛二的馬賽克狀表面。（圖片：NASA/JPL-Caltech/SETI Institute）
研究人員還探索了二維碎片，或者在作為二維形狀的薄表面上，其深度明顯小於寬度和長度。在那裡，斷裂模式是不同的，儘管分裂多邊形並達到可預測的平均形狀的核心概念仍然成立。

「事實證明，在二維中，你在自然界中得到矩形或六邊形的可能性大致相同，」Jerolmack 說。「它們不是真正的六邊形，但它們在幾何意義上是統計上的等價物。你可以把它想象成油漆開裂； 「當油漆破裂時，力從不同側面均勻地拉開，形成六邊形。」

在自然界中，這些二維斷裂模式的例子可以在冰蓋、乾燥的泥漿甚至地殼中找到，地殼的深度遠遠超過其橫向延伸，使其能夠作為事實上的二維材料發揮作用。以前人們知道地殼以這種方式斷裂，但該小組的觀察支持了這樣一種觀點，即碎裂模式是由板塊構造引起的。

在岩石中識別這些模式可能有助於預測諸如岩石墜落危險等現象或岩石中油或水等流體流動的可能性和位置。

對於研究人員來說，從幾千年的洞察力中發現似乎是自然界的基本規則是一種激烈但令人滿意的體驗。

「那裡有很多沙粒、鵝卵石和小行星，它們都是通過一種普遍的方式碎裂而進化而來的，」多莫科斯說，他也是 Gömböc 的共同發明者，Gömböc 是已知的第一個具有最少靜態平衡點（只有兩個）的凸形。通過碰撞碎裂會逐漸消除平衡點，但形狀不會成為 Gömböc；後者似乎是這一自然過程無法實現的終點。

目前的結果表明，起點可能是一個類似的標誌性幾何形狀：具有 26 個平衡點的立方體。「純幾何為普遍存在的自然過程提供了這些支架，這一事實讓我感到高興，」他說。

「當你在大自然中撿起一塊石頭時，它不是一個完美的立方體，但每一塊都是立方體的一種統計陰影，」傑羅馬克補充道。「它讓人想起柏拉圖的洞穴寓言。他提出了一種理想化的形式，這對於理解宇宙至關重要，但我們所看到的只是這種完美形式的扭曲陰影。」

Douglas Jerolmack 是賓夕法尼亞大學藝術與科學學院地球與環境科學系和工程與應用科學學院機械工程與應用力學系的教授。

Gábor Domokos 是布達佩斯技術與經濟大學 MTA-BME 形態動力學研究小組的教授兼主任。

Ferenc Kun 是德布勒森大學理論物理系的教授。

János Török 是布達佩斯技術與經濟大學理論物理系的副教授。

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