Новаторский метод измерения силы, действующей на отдельные песчинки, может помочь ученым раскрыть историю того, как ветры формировали лик Марса на протяжении миллиардов лет.

Этот подход, разработанный исследователями из Университета Кампинаса в Бразилии, использует изображения поверхности дюн для оценки воздействия на каждую крупицу песка. Комбинируя лабораторные эксперименты, компьютерное моделирование и искусственный интеллект (ИИ), команда создала детальные карты сил, которые раскрывают физику формирования песчаных дюн.

Дюны, в особенности серповидные «барханы», образуются везде, где ветер или вода перемещают сыпучий песок — от земных пустынь и морского дна до пыльных равнин Марса. Ученые могут отслеживать их движение, чтобы определить преобладающие ветра и условия среды, но до сих пор измерить силы, управляющие движением каждой песчинки, было невозможно.

«Чтобы измерить силу, действующую на каждую песчинку, потребовался бы крошечный акселерометр на каждой из них, чего просто не существует», — пояснили исследователи.

Чтобы преодолеть эту проблему, команда создала миниатюрные подводные дюны в лаборатории и провела детальные 3D-симуляции, чтобы вычислить точные силы, действующие на каждую частицу. Затем они обучили сверточную нейронную сеть — разновидность ИИ для распознавания изображений — связывать снимки дюн с соответствующими «картами сил» из симуляций. После обучения ИИ смог определять распределение сил напрямую по визуальным данным. При тестировании на новых изображениях он точно предсказывал действующие силы, даже для ранее не виданных форм дюн.

«Любая гранулированная система, которую можно увидеть на изображении — будь то лед, соль или синтетические частицы — может быть проанализирована, при условии, что существует моделирование, точно воспроизводящее поведение материала», — заявил Ренато Миотто, научный сотрудник и ведущий автор исследования.

Способность извлекать столь детальную физическую информацию лишь из изображений открывает широкие перспективы. На Земле это может помочь инженерам точнее прогнозировать береговую эрозию, перенос речных наносов или поведение сыпучих материалов в промышленных системах. Но главное — метод применим и к другим планетам, снятым с орбиты, таким как Марс, чьи дюны формируются по тем же фундаментальным физическим законам.

«В случае с Марсом можно по широко доступным снимкам определить интенсивность ветров в прошлом и эволюцию дюн в будущем», — отметил Эрик Франклин, профессор и соавтор исследования.

Это открывает новое окно в климатическое прошлое Красной планеты. Анализируя распределение сил на современных марсианских дюнах, ученые смогут реконструировать силу и направление древних ветров, которые бушевали там, когда атмосфера планеты была плотнее. Это, в свою очередь, прольет свет на глобальные изменения климата Марса и, возможно, объяснит, как исчезла его вода.

Метод знаменует собой сдвиг в планетологии — от простого наблюдения за формами рельефа к глубокому количественному анализу сил, которые их создали. Следующим шагом станет применение этого инструмента к тысячам снимков, сделанных орбитальными аппаратами, чтобы составить первую в истории динамическую карту ветровой активности Марса, которая расскажет историю его угасшего мира. Результаты исследования были опубликованы 1 августа в журнале Geophysical Research Letters.