火星の極には、地球の南極大陸と同じように、極冠の形をした大量の水氷があります。北部では、ほぼ純粋な水氷の厚さ約 1.5 km のドームがいわゆる北極層状堆積物 (NPLD) を構成しており、これは地球上で 2 番目に大きな水氷貯留層です。これらの氷の堆積物は、崖やらせん状の谷に沿って露出した細かい層にちなんで名付けられました。
発見以来、科学者は NPLD の貴重な層序記録を、最近の気候変動を世界レベルで解読するためのロゼッタ ストーンと見なしましたが、初期の極冠の成長についてはほとんど知られていません。過去の研究では、上位 NPLD 層と火星の軌道運動の変動との間の関連性が発見されました。これは、「軌道強制力」と呼ばれる効果であり、スピン軸の傾斜角の広い振動のために特に強力です。ただし、NPLD の最下層は数か所でしか露出していないため、初期の氷の成長のモデルを制約することは困難です。幸いなことに、レーダー測深は北極冠の厚さ全体を通して画像化することができ、その内部層序全体を明らかにします.
現在、火星周回軌道上には 2 つの観測レーダーがあります。この研究では、3000 以上の 2D プロファイルを持つ NPLD の優れたカバレッジを持つ浅いレーダー (SHARAD) からのデータを使用します。そのうち約 700 を分析して、NPLD の水の氷の蓄積の最初の段階を再構築しました。 SHARAD のような測深レーダーは無線信号を地表に向けて送信し、氷と塵の層が交互に重なるなど、組成に大きな変化が生じるとエコー (通常は反射板と呼ばれます) として反射されます。レーダー データは 2D プロファイルとして表されます。ここで、縦軸は機器によって検出された表面反射と表面下反射の間の時間遅延を表し、横軸は宇宙船が移動した地上トラックに沿った距離を表します。言い換えれば、SHARAD プロファイルは、火星の内部層と構造を示す、火星の地下のスライスです。
SHARAD プロファイルを使用すると、NPLD の厚さ 500m までの最下部シーケンスの層序を、単一のレーダー反射板のスケールで 3 次元で表すことができます。これにより、研究者は地層の形状を介して正味の氷の蓄積と後退のフェーズを決定し、それらを軌道強制力に基づいて利用可能な氷の蓄積モデルと定性的に比較できます。
マップされた 8 つの氷ユニットのうち、5 つはわずかな厚さしか示しておらず、NPLD 層の一般的な厚さの均一性を明らかにした以前の研究と一致しています。逆に、3つのユニットは、他のユニットと比較して、大幅な厚さの変化と横方向の範囲の縮小を示しています。特に、最古の NPLD ユニットは、「ベーサル ユニット」と呼ばれる古いドーム型の堆積物の上にそれぞれ位置する 2 つの分離した堆積物と、NPLD を取り囲む平野から構成されています。 1つのユニットは、平均厚さが約40mの準円形のドーム形状で構成されています。もう 1 つのユニットはジェミナリングラ地域にあり、厚さは約 40 m で、東西方向に細長いドーム型をしています。層序の上方では、SHARAD は別のユニットを検出します。このユニットはくさび形で終わり、上下のユニットほど南に伸びていません。最後に、シーケンスの上部に向かって、ユニットはジェミナリングラの長さをほぼ横断する波状パターンを示します.
この研究は、最も初期の NPLD の地形が、氷の蓄積領域の成長と縮小を交互に繰り返しながら、氷ユニットを徐々に積み上げることによって進化したことを示しています。ユニットの厚さは、主要な氷の蓄積センターがポールに固定されたままではなく、時間とともに移動したことも示しています。地形だけでも、さまざまなメカニズムによって最下部の NPLD に形態学的異常が形成された可能性があります。層序の証拠は、カタバ風が主な原因であることを示しています。カタバ風は、重力に引かれて高い標高から斜面を下って流れる冷たくて密度の高い空気の塊です。 NPLD の下の基底ユニットのドーム構造と傾斜は、氷が蓄積する前にカタバ風の流れを開始するのに十分である可能性があります。このシナリオでは、風が遅いドームの上部と、斜面に沿って氷を加速して除去した後に風が減速するスロープブレイクに隣接する低地エリアで、氷の蓄積が促進されます.
この研究は、カタバ風による氷の再分配が維持され、最終的には基底ユニットの元の地形的起伏が増加し、それがさらなるカタバの流れを支えた、自律的な建設プロセスを主張しています。カタバ風は、NPLD の最新の表面にうねりを形成します。このメカニズムは、ジェミナリングラのいくつかの氷ユニットで観察された起伏をエレガントに説明することもでき、最下部の NPLD を形成するカタバ風の役割をさらにサポートします。
ジェミナリングラの形状と位置は、南に伸び、極冠を極に対して非対称にすることにより、氷の堆積の異常を構成するため、極地の研究者の間でしばしば関心を集めてきました。 SHARAD 反射鏡マッピングは、極冠の残りの部分からすでに分離された個々の堆積物として、原始ジェミナリングラの構築が始まったことを決定的に明らかにしました.
全体として、SHARAD によって明らかにされた最も低い NPLD の進化は、繰り返される地球規模の気候変動に関連している可能性が高い、水の氷の蓄積の後退と拡大の段階を交互に繰り返すものとして説明できます。軌道強制力に基づいて NPLD の成長をモデル化する以前の研究結果を考慮して、この研究では、スピン軸の傾斜度が高い期間が氷蓄積領域の後退を引き起こし、逆に、傾斜度が低いと広範な氷床の成長が促進されたと結論付けています。最も古い NPLD 層は、火星の軌道運動のそのような変動を捉えたようです。
これらの調査結果は、最近 Icarus 誌に掲載された SHARAD の北極の層状堆積物、火星の最古の蓄積履歴というタイトルの記事で説明されています。 この作業は、テキサス大学オースティン校のステファノ・ネロッツィとジョン・W・ホルトによって行われました。
