一项新技术使用远程图像来测量地球以外古老而活跃的河流的强度 _地球

来自卡西尼任务的图像显示了流入土卫六泰坦北极地区湖泊的河流网络。鸣谢:美国宇航局/JPL/美国地质调查局
据麻省理工学院：除了地球之外，在太阳系的另外两个星球上也有河流流过:火星，那里干涸的痕迹和环形山是古代河流和湖泊留下的所有东西，以及土星最大的卫星泰坦，液态甲烷的河流今天仍然在那里流动。
麻省理工学院地质学家开发的一项新技术使科学家们能够看到火星上的河流曾经有多强烈，以及它们目前在土卫六上是如何流动的。该方法利用卫星观测来估计河流向下游输送流体和沉积物的速度。
应用他们的新技术，麻省理工学院的团队计算了10亿年前火星上某些地区的河流有多快多深。他们还对土卫六上目前活跃的河流进行了类似的估计，尽管月球厚厚的大气层和距离地球的距离使其更难探索，其表面的可用图像比火星少得多。
“土卫六令人兴奋的地方在于它很活跃。麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)的Cecil和Ida Green教授Taylor Perron说:“有了这项技术，我们有办法对一个很长一段时间都无法获得更多数据的地方做出真正的预测。“在火星上，它给了我们一台时间机器，让我们去了解现在已经死亡的河流，去感受它们活跃流动时的样子。”
Perron和他的同事已经在国家科学院学报上发表了他们的结果。Perron的MIT合著者是第一作者Samuel Birch、Paul Corlies和Jason Soderblom，伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)的Rose Palermo和Andrew Ashton，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Gary Parker，以及来自加州大学洛杉矶分校、耶鲁大学和康奈尔大学的合作者。
河流数学
该小组的研究源于Perron和Birch对Titan河流的困惑。美国宇航局的卡西尼号飞船拍摄的图像显示，与地球上的许多河流相反，大多数月球河流的河口都奇怪地缺乏扇形三角洲。会不会是泰坦的河流没有足够的流量或沉积物来建造三角洲？
该小组建立在合著者加里·帕克(Gary Parker)的工作基础上，他在21世纪初开发了一系列数学方程来描述地球上的河流流量。帕克研究了其他人直接在野外对河流进行的测量。
从这些数据中，他发现河流的物理尺寸——宽度、深度和坡度——与流速之间存在某种普遍关系。他起草了方程来数学描述这些关系，考虑了其他变量，如作用于河流的重力场，以及沿着河床推动的沉积物的大小和密度。
“这意味着不同重力和物质的河流应该遵循相似的关系，”Perron说。"这开启了将这一技术应用于其他星球的可能性。"
一瞥
在地球上，地质学家可以实地测量河流的宽度、坡度和平均沉积物尺寸，所有这些都可以输入到帕克方程中，以准确预测河流的流速，或者它可以向下游移动多少水和沉积物。但是对于其他星球上的河流，测量更加有限，并且主要基于远程卫星收集的图像和海拔测量。
对于火星，多个轨道飞行器已经拍摄了该星球的高分辨率图像。对于土卫六来说，观点少之又少。
伯奇意识到，对火星或土卫六上河流流量的任何估计都必须基于从远程图像和地形测量的少数特征——即河流的宽度和坡度。通过一些代数上的修补，他修改了帕克方程，使其只适用于宽度和坡度输入。
然后，他收集了地球上491条河流的数据，在这些河流上测试了修改后的方程，发现仅基于每条河流的宽度和坡度的预测是准确的。
然后，他将方程应用于火星，特别是通往盖尔陨石坑和杰泽罗陨石坑的古老河流，这两个陨石坑被认为在数十亿年前是充满水的湖泊。为了预测每条河流的流速，他根据轨道卫星拍摄的图像和海拔测量值，将火星重力方程和每条河流的宽度和坡度估计值代入其中。
根据他们对流速的预测，研究小组发现，盖尔陨石坑的河流可能流动了至少10万年，杰泽罗陨石坑的河流可能流动了至少100万年——足够长的时间可能存在生命。他们还能够将他们对每条河流河床沉积物平均尺寸的预测与美国宇航局的好奇号和毅力号火星车对每条河流附近火星颗粒的实际实地测量进行比较。
这些少量的实地测量让研究小组能够检查他们在火星上应用的方程是否准确。
然后这个团队开始接近土卫六。他们瞄准了两个可以测量河流坡度的地方，包括一条流入安大略湖大小的湖泊的河流。这条河流入湖中时似乎形成了一个三角洲。然而，该三角洲是月球上仅有的几个被认为存在的三角洲之一——几乎所有流入湖泊的可见河流都神秘地缺少三角洲。该小组还将他们的方法应用于其他一条没有三角洲的河流。
他们计算了两条河流的流量，发现它们可能与地球上一些最大的河流相当，三角洲的流量估计与密西西比河一样大。两条河流都应该输送足够的沉积物来形成三角洲。然而，土卫六上的大多数河流缺乏扇形沉积物。一定还有其他因素在起作用，来解释河流沉积物的缺乏。
在另一项发现中，研究小组计算出土卫六上的河流应该比地球或火星上相同流量的河流更宽，坡度更缓。“土卫六是最像地球的地方，”伯奇说。“我们只是瞥了一眼。我们知道下面有太多的东西，这种远程技术正在推动我们更进一步。”