火星の噴水

火星の噴水（またはCO）₂ジェット、春の雪解け時に火星の南極地域で発生する小規模なガスと塵の噴火の推定発生場所である^{。「暗い砂丘の斑点」と「クモ」またはクモ状構造物[ 1 ]}は、これらの噴火に起因する最も目立つ2種類の地形である。

火星の噴水は、通常熱水活動と関連付けられる地球の噴水とは異なります。これらは地球上の地質現象とは全く異なります。これらの地形の反射率（アルベド）、形状、およびクモのような奇妙な外観は、霜の反射率の違いから生物学的プロセスを含む説明まで、その起源に関するさまざまな仮説を刺激してきました。しかし、現在のすべての地球物理学的モデルは、火星で何らかのジェットまたは噴水のような活動を想定しています。^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}その特性と形成プロセスは、依然として議論の的となっています。

これらの特徴は、火星の南極域、非公式に「クリプティック領域」と呼ばれる南緯60°～80°、西経150°～310°の領域に特有のものです。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}この1メートルの深さの二酸化炭素（CO2 _）氷の遷移領域（厚い極氷層の崖と永久凍土の間）には、間欠泉のようなシステムの集まりがあります。

二酸化炭素氷の季節的な霜と融解により、氷の下にクモの巣状の溝や水路がある暗い砂丘斑など、さまざまな特徴が現れます。 ^{[ 3 ]}地面と二酸化炭素氷の間にクモの巣状の放射状の水路が刻まれ、クモの巣のように見えます。その後、内部に蓄積された圧力によりガスと暗い玄武岩質の砂または塵が噴出し、氷の表面に堆積して暗い砂丘斑を形成します。^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}このプロセスは急速で、数日、数週間、または数か月の間に起こることが観察されており、地質学、特に火星ではかなり珍しい成長速度です。^{[ 14 ]}しかし、より大きなクモの巣状の水路を刻むには数年かかると思われます。^{[ 2 ]}可視光と赤外線スペクトルで撮影された画像以外に、これらの特徴に関する直接的なデータはありません。

暗色の砂丘斑点やクモ状構造物と呼ばれる地質学的特徴は、1998年から1999年にかけて火星グローバルサーベイヤーに搭載されたMOCカメラで撮影された画像上で別々に発見された。^{[ 15 ] [ 16 ]}最初は、その外観から無関係な特徴であると一般的に考えられていたため、1998年から2000年にかけて、それぞれ異なる研究論文で別々に報告された（^{[ 16 ] [ 17 ]}および^{[ 18 ]}）。2000年以降、「ジェット」または「間欠泉」モデルが提案され、改良された。^{[ 4 ] [ 5 ]}

「スパイダー」という名前は、カメラの開発者であるマリン・スペース・サイエンス・システムズの職員によって名付けられました。最初の最も興味深いスパイダー写真の1つは、2000年10月にグレッグ・オームによって発見されました。 ^{[ 19 ]}これらの「クモの巣」や斑点の変わった形や外観は、その起源について多くの憶測を呼んでいます。最初の数年間の監視では、その後の火星の年で、斑点の70%がまったく同じ場所に現れることが示され、1999年9月から2005年3月の間に得られた予備的な統計調査では、暗い砂丘の斑点とスパイダーは、二酸化炭素（CO2）が「ドライアイス」として凝縮して昇華するサイクルに関連する現象であることが示さ_れました。^{[ 20 ]}

当初は、これらの暗い斑点は単に裸地の暖かい部分であると示唆されていましたが、2006年の熱画像調査により、これらの構造物はその地域を覆う氷と同じくらい冷たいことが明らかになり、^{[ 9 ] [ 20 ]}氷の上に薄い暗い物質の層があり、氷によって冷やされていることが示されました。^{[ 9 ]}しかし、最初の検出後すぐに、これらは負の地形的特徴、つまり、今日では間欠泉のような噴出システムの放射状の溝またはチャネルであることが判明しました。^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

間欠泉の最も目立つ特徴である暗い砂丘の斑点とクモの巣状の水路は、火星の春の初めに二酸化炭素（CO ₂または「ドライアイス」）で覆われた砂丘地帯、主に砂丘の尾根と斜面に現れ、冬の初めには消えます。暗い斑点の形状は一般的に円形ですが、斜面では通常細長く、砂丘の底にある水たまりに溜まる水流（おそらく水）を伴うこともあります。^{[ 21 ] [ 22 ]}暗い砂丘の斑点は通常、幅が 15 ～ 46 メートル（50 ～ 150 フィート）で、数百フィートの間隔で配置されています。^{[ 9 ]}斑点の大きさは様々で、幅が 20 メートルほどの小さなものもありますが、^{[ 16 ] [ 23 ]}見える小さいサイズは画像解像度によって制限されており、数キロメートル幅の地形に成長して合体することもあります。

クモ状構造は、個別に観察すると、中心点から外側に向かって葉状に広がるクモの巣を思わせる丸い葉状構造を形成します。^{[ 24 ]}その放射状のパターンは、昇華ガスが噴出口に向かって流れることによって氷の中に形成された浅い水路または管を表しています。^{[ 3 ] [ 4 ]}クモ状水路ネットワーク全体は通常160～300mの幅がありますが、大きなばらつきがあります。^{[ 2 ]}

各間欠泉の特徴的な形状は、局所的な流体またはガスの組成と圧力、氷の厚さ、下層の砂利の種類、局所的な気候と気象条件などの要因の組み合わせに依存しているようです。^{[ 14 ]}間欠泉の境界は、標高、地質構造、傾斜、化学組成、熱特性などの表面の他の特性とは相関していないようです。^{[ 6 ]}間欠泉のようなシステムは、低アルベドの斑点、扇状、斑点を生成し、その場所には多くの場合、小さな放射状のクモのようなチャネルネットワークが関連付けられています。^{[ 2 ] [ 14 ] [ 20 ]}最初は斑点は灰色に見えますが、後に中心部が暗くなり、徐々に暗い噴出物で覆われます。^{[ 18 ]}これは主に玄武岩質の砂であると考えられています。^{[ 17 ]}早春に観察されるすべての暗い斑点がクモの地形と関連しているわけではないが、隠れた地形に暗い斑点や筋が多数見られる場合は、季節の後半にクモが出現することと関連している。^{[ 2 ]}

NASAが行ったタイムラプス画像では、氷の中のクモ状溝の放射状成長に続いて、暗い物質が噴出しているように見えることが確認されています。^{[ 9 ]}また、関心のある単一の領域のタイムラプス画像では、小さな暗い斑点が一般的にまだ見えないクモ状構造の位置を示していることも示されています。さらに、斑点が大きく拡大し、いくつかの斑点から放射状に広がる暗い扇状構造も含まれており、それらは目立つようになり、風の作用を示す明確な方向性を発達させています。^{[ 2 ]}

分岐する峡谷の中には、地表付近で地殻を変化させるもの、破壊するもの、生成するものがあり、地表付近の動的なプロセスによって地形が広範囲に再加工され、地表層が生成および破壊される。したがって、火星では二酸化炭素の地表付近の地殻が動的にリサイクルされているように見える。成長プロセスは急速で、数日、数週間、または数か月の間に起こるが、これは地質学、特に火星ではかなり珍しい成長速度である。^{[ 14 ]}火星の南極氷冠にあるこれらの間欠泉のさまざまな色と形状の発達を説明するために、多くの地球物理学的モデルが調査されてきた。

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  HiRISEがHiWishプログラムの一環として撮影した、煙の広がりを捉えた広角画像。拡大すると、多くの煙の中にクモが見られる。
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  HiRISEがHiWishプログラム「Arrow」で観測した煙柱には、二重の煙柱が見られる。これは風向きの変化によるものと考えられる。
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  HiWishプログラムの一環としてHiRISEが観測した、長い煙の柱。
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  HiRISEがHiWishプログラムの下で撮影したクモたち
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  HiRISEがHiWishプログラムの下で撮影した羽毛とクモ
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  HiRISEがHiWishプログラムの下で撮影した羽毛とクモ
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  HiRISEがHiWishプログラムの下で撮影した羽毛とクモ
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  HiRISEがHiWishプログラムの一環として撮影した、羽毛とクモの広角写真
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  HiRISEがHiWishプログラムの下で撮影した羽毛とクモ
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  火星のクモのような地形

噴火の強さは、単純な上昇から時速160 キロメートル (99マイル)以上の速度での高圧噴火までと推定されており、 ^{[ 4 ] [ 25 ]}暗い玄武岩質の砂と塵の噴煙を高く持ち上げます。^{[ 9 ]}次に、間欠泉のようなシステムを動かす可能性のある力に関する現在提案されているモデルについて説明します。 

乾燥換気

一部のチームは、氷と下の岩盤の間で発生する二酸化炭素（CO _{2 ）ガスと砂の乾式噴出を提案している。CO 2} 氷板は太陽放射に対してほぼ透明であり、垂直から 60 度の角度で入射する太陽エネルギーの 72% が 1 m の厚さの層の底に到達することが知られている。 ^{[ 4 ] [ 27 ]}さらに、台湾とフランスの別々のチームがいくつかの対象エリアで氷の厚さを測定し、間欠泉エリアのCO ₂ 霜層の最大厚さが約 0.76～0.78 m であることを発見し、太陽光によって駆動される乾式噴出の地球物理学的モデルを支持している。^{[ 8 ] [ 28 ] [ 29 ]}南春の CO ₂氷が十分な太陽エネルギーを受け取ると、底からCO _2氷の昇華が始まる。 ^{[ 2 ]}この蒸気は氷板の下に蓄積され、圧力が急速に上昇して噴出する。^{[ 6 ] [ 9 ] [ 14 ] [ 30 ] [ 31 ]}高圧ガスが時速160 キロメートル (99 mph)以上で流れます。^{[ 4 ] [ 25 ]}スラブの下では、ガスが噴出口に向かって流れながら地面を侵食し、緩んだ砂の粒子を巻き上げ、クモの巣状の溝を刻みます。^{[ 8 ]}暗い物質は地表に戻り、風によって斜面を上って運ばれ、氷冠に暗い風の筋模様を作り出します。 ^{[ 20 ] [ 25 ]}このモデルは過去の観測と一致しています。^{[ 25 ] [ 32 ]}これらの扇状地の位置、大きさ、方向は、季節風と昇華活動を定量化するのに役立ちます。^{[ 26 ]} 

季節氷帽の底部の昇華は、かなりの過剰圧力を発生させる能力があることは明らかであり、^{[ 2 ]}これは、上で述べたように、氷の被覆圧力よりも4桁高く、大気圧よりも5桁高い。^{[ 2 ]}

日の出前にいくつかの黒い斑点が形成され、日の出直後に顕著な斑点が形成されるという観察結果は、このシステムが太陽エネルギーによって動いているという考えを裏付けています。^{[ 33 ]}最終的には氷が完全に除去され、暗い粒状物質が表面に戻ります。^{[ 33 ]}このサイクルは何度も繰り返されます。^{[ 20 ] [ 34 ] [ 35 ]}

2016年に実施された実験室実験では、 CO2ガスボンベ内部の塵の層から塵の噴火を引き起こすことができた。_{火星の大気条件下にある2つの}氷板がCOを裏付けている₂ジェットおよびファン生産モデル。 ^{[ 26 ]}

二酸化炭素と水の循環

_{火星探査機マーズ・グローバル・サーベイヤーが二酸化炭素}間欠泉現象の初期画像を撮影した際に使用したカメラの設計者であり惑星科学者でもあるマイケル・C・マリンは、特定の領域で取得された画像を研究し、数年にわたるそれらの変化を追跡している。2000年、彼は扇状地と斑点のダイナミクスを二酸化炭素（CO₂）と水の昇華と再降水という複雑なプロセスとしてモデル化した_。解凍の典型的なパターンは、砂丘の縁に通常位置する小さな暗い斑点の発生から始まる。これらの斑点は個々に大きくなり、最終的にはすべて合体する。^{[ 34 ]}拡大のパターンは明確で特徴的である。暗い核斑はゆっくりと大きくなり、多くの場合、明るい外側のゾーンまたは「ハロー」を伴う。これらは漸進的で求心的な現象であるため、明るいゾーンの各場所は拡大する暗いゾーンに追い越される。斑点の形成は最初は砂丘の縁に沿って発生するが、すぐに砂丘の上と間に広がる。春が進むにつれて、中央の斑点から扇形の尾（「クモ」）が発達します。低反射率の極地の砂が光学的に薄い霜の層の下で加熱されると解凍が起こり、霜が蒸発します。これが砂丘に見られる斑点の暗い核です。蒸気が横方向に移動すると、冷たい空気に遭遇して凝結し、明るいハローを形成します。この凝結した霜は、覆われていない砂の領域が拡大するにつれて再び蒸発し、このサイクルが何度も繰り返されます。^{[ 20 ] [ 34 ] [ 35 ]}

欧州宇宙機関（ESA）はまだ理論やモデルを策定していませんが、霜の昇華のプロセスは画像で観察されたいくつかの重要な特徴と矛盾しており、スポットの位置と形状は物理的な説明と矛盾していると述べています。特に、チャネルが重力に逆らって上り坂に放射されるのと同じくらい下り坂に放射されているように見えるためです。^{[ 43 ]}

ハンガリーの科学者チームは、暗い砂丘の斑点や溝は、氷冠の下で越冬する光合成を行う火星の微生物のコロニーである可能性があると提唱している。早春に太陽光が極に戻ると、光が氷を透過し、微生物は光合成を行い、周囲を温める。通常、薄い火星の大気中ではすぐに蒸発してしまう液体の水のポケットが、上層の氷によって微生物の周りに閉じ込められる。この氷の層が薄くなると、微生物が灰色に透けて見える。完全に溶けると、微生物は急速に乾燥し、灰色のオーラに囲まれて黒くなる。^{[ 22 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]}ハンガリーの科学者たちは、複雑な昇華プロセスでさえ、暗い砂丘の斑点が空間的にも時間的にも形成され進化するのを説明するには不十分だと考えている。^{[ 23 ] [ 47 ]}発見以来、小説家のアーサー・C・クラークは、これらの構造が宇宙生物学的観点から研究に値すると主張してきた。^{[ 19 ]}

多国籍のヨーロッパチームは、クモの巣穴に年間の解凍サイクル中に液体の水が存在する場合、その構造は紫外線から保護され、特定の微小生命体が後退して適応できるニッチを提供する可能性があると示唆している。^{[ 3 ]}イギリスとドイツのチームも、特にそのメカニズムに液体の水と地熱エネルギー源が含まれる場合、有機物、微生物、あるいは単純な植物がこれらの無機構造と共存する可能性を検討している。 ^{[ 14 ] [ 48 ]}しかし、彼らはまた、有機的な「火星の生命」仮説を持ち出すことなく、地質構造の大部分を説明できるとも述べている。^{[ 14 ]} （火星の生命も参照。）

可視光および赤外線スペクトルで撮影された画像以外にこれらの特徴に関する直接的なデータはなく、間欠泉のようなシステムを研究するために火星間欠泉ホッパー着陸機の開発が検討されている。 ^{[ 49 ] [ 50 ]}これはまだ正式に提案も資金提供もされていない。

• 火星の「クモ」は、 2020年8月18日にWayback Machineの写真リポジトリにアーカイブされました。
• アーサー・C・クラークによる「火星のクモ」特集記事：1 2017年7月6日にウェイバックマシンにアーカイブ済み