Tańczące, wężowate kolumny kurzu niemal codziennie przecinają powierzchnię Marsa i pozostawiają za sobą ciemne, nitkowate ślady, które z orbity są łatwo rozpoznawalne zarówno przez ekspertów, jak i entuzjastów Czerwonej Planety. Nowa kompleksowa analiza dwóch europejskich orbiterów pokazuje, że te wiry to nie tylko egzotyczna rozrywka wiatru, ale fundamentalne ogniwo w marsjańskim systemie klimatycznym. Śledząc je przez dwadzieścia lat, planetolodzy zrekonstruowali, jak kurz się unosi, jak podróżuje i gdzie najczęściej osiada, a przy tym zanotowali zaskakujący fakt: wiatry przy gruncie na Marsie są często szybsze, niż sugerowały to dotychczasowe modele i pomiary z powierzchni. Jest to najobszerniejsze śledzenie „diabłów pyłowych” do tej pory, z systematycznie zbudowanym katalogiem, który łączy obserwacje z różnych pór roku, obszarów i środowisk geologicznych oraz oferuje konkretne wytyczne do planowania przyszłych misji, które na Marsie będą musiały działać w otoczeniu nieprzewidywalnych porywów i uporczywego, lepkiego kurzu.

Czym właściwie są „diabły pyłowe” i dlaczego są ważne

Wiry pyłowe, w popularnej terminologii „diabły pyłowe”, powstają, gdy promieniowanie słoneczne ogrzewa grunt szybciej niż powietrze bezpośrednio nad nim. Ciepłe powietrze zaczyna gwałtownie wznosić się i tworzy kolumnę wznoszącą, a chłodniejsze, gęstsze powietrze napływa z boku i zamyka cyrkulację. Wystarczająca pozioma składowa wiatru zamienia ten wznoszący się strumień w wirujący lejek, który w warunkach suchego i zakurzonego gruntu Marsa bardzo łatwo podnosi drobne cząsteczki i unosi je dziesiątki, a nawet setki metrów w górę. Wiry są przejściowe: trwają od zaledwie kilku minut do, w rzadkich przypadkach, nieco dłużej; ale ich sumaryczny wpływ na atmosferę jest zaskakująco duży, ponieważ występują bardzo często, na dużych powierzchniach i w częściach dnia, gdy powierzchnia jest najcieplejsza.

W przeciwieństwie do Ziemi, gdzie deszcz i wilgoć szybko „wypłukują” unoszące się cząsteczki, na Marsie kurz może pozostać w atmosferze przez długi czas i być transportowany na tysiące kilometrów. Wpływa to na rozkład temperatury (osłabia ogrzewanie w ciągu dnia i „pokrywa” powierzchnię w nocy), na tworzenie się chmur i na bilans wody, ponieważ wiry i burze mogą przyspieszyć utratę pary wodnej w przestrzeń kosmiczną. W praktyce oznacza to, że zrozumienie małych, lokalnych wirów prowadzi do dokładniejszych globalnych modeli klimatycznych i bezpieczniejszego planowania misji kosmicznych – od harmonogramu samoczyszczenia paneli słonecznych po ocenę ryzyka dla optyki i mechanizmów na łazikach i lądownikach.

Dwa statki kosmiczne, dwadzieścia lat i pierwszy globalny katalog ruchu

Zespół badaczy przeanalizował archiwa zdjęć wykonanych przez Mars Express (na orbicie od 2004 r.) oraz ExoMars Trace Gas Orbiter (na orbicie od 2016 r.). Zamiast ręcznego liczenia zastosowano podejście komputerowe: wyszkolono model głębokiego uczenia, który automatycznie rozpoznaje charakterystyczny „podpis” aktywnych wirów na zdjęciach – jaśniejszą chmurę uniesionego kurzu i ciemny cień, który rzuca na grunt – oraz wydobywa ich geometrie i dynamikę z mnóstwa innych wizualnych wzorców. Rezultatem jest publicznie dostępny spis z 1039 aktywnymi wirami, dla których oszacowano także kierunek ruchu i prędkość przemieszczania się po gruncie, co umożliwiło badaczom „wyrysowanie” pól wiatru na skali planetarnej.

Kartowanie pokazuje, że wiry są rozpowszechnione niemal wszędzie – od nizin do zboczy wulkanicznych – ale często „rodzą się” w specyficznych strefach źródłowych z obfitością drobnego materiału. Jedną z takich jest Amazonis Planitia, rozległy obszar północnych nizin pokryty drobnym piaskiem i kurzem, gdzie częste wiry dosłownie „zasysają” tysiące ton cząsteczek i wysyłają je w powietrze. Wzorzec wielkości jest różnorodny: zanotowano wiry o średnicy zaledwie kilkudziesięciu metrów, ale także te o szerokości kilkuset metrów, a ich wysokości czasami przekraczają wszystko, czego byśmy się spodziewali, obserwując tylko z gruntu. Ta różnorodność przestrzenna jest kluczowa dla zrozumienia transportu kurzu i jego osadzania się w różnych niszach geomorfologicznych Marsa.

Szybsze wiatry, niż myśleliśmy

Śledząc przemieszczanie się wirów między wielokanałowymi zdjęciami, badacze bezpośrednio zmierzyli wiatry powierzchniowe, które osiągają do około 44 m/s, czyli około 158 km/h. To znacznie więcej niż typowe pomiary dotychczasowych lądowników i łazików, których obserwacje są, co zrozumiałe, ograniczone do pojedynczych lokalizacji i okresów czasu. Chociaż te liczby brzmią przerażająco, należy pamiętać, że rzadka atmosfera Marsa (około 1% gęstości ziemskiej) oznacza również drastycznie mniejsze ciśnienie dynamiczne – taki „huraganowy” wiatr człowiek na Marsie ledwo by odczuł na skórze, ale jednocześnie jest on całkowicie wystarczający, aby na dużych powierzchniach unieść i przenieść kurz oraz zablokować światło słoneczne łazikom, które polegają na panelach słonecznych.

Zaskakująco wysokie prędkości zanotowano w większej liczbie obszarów i porach roku, niż sugerowały to istniejące modele. To dodatkowo wyjaśnia tzw. „zagadkę transportu piasku na Marsie”: laboratoryjne progi do poruszania ziarnami piasku – skaczący ruch, który nazywamy saltacją – są często większe niż prędkości mierzone przez instrumenty na gruncie. Nowe dane z orbity pokazują, że szybkie wiatry są w rzeczywistości częste, co oznacza, że unoszenie kurzu jest prawdopodobnie bardziej powszechne, niż wcześniej przypuszczaliśmy. Ma to bezpośrednie konsekwencje dla szacunków widoczności, ogrzewania i chłodzenia, a także dla modeli „długości życia” chmur kurzu w atmosferze.

Kiedy i gdzie na Marsie „kurzy” się najbardziej

Sezonowość jest wyraźna: najwięcej aktywności ma miejsce wiosną i latem każdej półkuli, późnym rankiem i wczesnym popołudniem, mniej więcej między godziną 11 a 14 czasu słonecznego. Wtedy kontrast temperaturowy między gruntem a powietrzem jest najsilniejszy, a wiatry powierzchniowe są stabilne i wystarczająco silne, aby „zasilać” rotację. W obszarach nizinnych z drobnym osadem – zwłaszcza na północnych równinach – częstotliwość wirów jest większa, ale zanotowano je także na stromych zboczach wulkanicznych i na krawędziach kraterów, gdzie rzeźba terenu dodatkowo wzmacnia przepływ. Taki rozkład przypomina wzorce na pustyniach na Ziemi, jednak Mars, ze względu na swoją suchość i rzadką atmosferę, wykazuje szerszą przestrzenną i czasową „pętlę” aktywności.

Jak „szum” stał się danymi

Ani Mars Express, ani ExoMars TGO nie zostały pierwotnie zaprojektowane do pomiaru prędkości wiatru. Klucz leży w sposobie, w jaki ich kamery – HRSC na Mars Express i CaSSIS na TGO – składają jedno ostateczne zdjęcie z kilku oddzielnych kanałów. Ponieważ kanały są nagrywane z opóźnieniem czasowym od jednej do kilkudziesięciu sekund, wszystko, co porusza się w scenie, pozostawia subtelne przesunięcia kolorów lub geometrii. Badacze przekształcili ten „artefakt” w miernik: mierząc przesunięcie chmury kurzu między kanałami, uzyskali prędkość i kierunek ruchu wiru oraz, pośrednio, prędkość i kierunek wiatru przy gruncie. To elegancki przykład tego, jak ograniczenia inżynierskie (opóźnienie kanałów) mogą stać się szansą naukową.

Automatyczne rozpoznawanie wirów opiera się na sieciach neuronowych wytrenowanych na tysiącach oznaczonych przykładów. Model rozpoznaje charakterystyczny kontrast jaśniejszej chmury uniesionego kurzu i ciemnego cienia, okrągłe i spiralne wzory, które różnią się od chmur, wydm lub struktur górskich, a także przestrzenne relacje między tymi elementami. Takie podejście umożliwia systematyczne „przeczesywanie” planetarnych archiwów, a jego efekt jest multiplikowany wraz z napływaniem świeżych zdjęć i dalszym doskonaleniem modeli. Ostatecznie oznacza to, że mapa wiatrów z czasem będzie coraz bardziej szczegółowa, a przewidywania lokalnego mikroklimatu – bardziej wiarygodne.

Co odkrycia oznaczają dla przyszłych statków kosmicznych i łazików

Szczegółowe mapy wiatru według regionów i pór roku bezpośrednio pomagają w wyborze miejsc lądowania i planowaniu pracy statków kosmicznych na powierzchni. Ilość kurzu, która osiada na panelach słonecznych i optyce instrumentów, jest jednym z głównych zagrożeń dla budżetu energetycznego i naukowego misji. Jeśli z góry wiemy, jak często na danym obszarze „spada” drobny kurz, możemy przewidzieć harmonogram samoczyszczenia, kierowanie kamer, planowanie krytycznych pomiarów w godzinach, gdy zamglenie jest najmniejsze, oraz lepiej wymiarować filtry, uszczelki i ruchome zespoły narażone na ścieranie.

W praktyce takie wnioski są już włączane do przygotowań do kolejnych europejskich kroków na Czerwonej Planecie. Łazik Rosalind Franklin jest planowany do wystrzelenia w 2028 r., a lądowanie w 2030 r., z celem, aby po raz pierwszy wiercił do głębokości około dwóch metrów i szukał chemicznych śladów dawnego życia w chronionych, podziemnych warstwach. Do bezpiecznego zejścia budowana jest nowa europejska platforma z precyzyjnymi retro-rakietami i zaawansowanymi spadochronami; ponadto, nowe plany lądowania i harmonogram operacji na powierzchni już uwzględniają dokładniejszą mapę wiatrów, kurzu i sezonowych okien korzystnej pogody.

Łaziki jako „meteorolodzy”: lekcje z gruntu

Oprócz danych z orbity, ważne wskazówki dają także obserwacje z gruntu: łaziki NASA regularnie rejestrują przejściowe wiry, czasami nawet kilka jednocześnie, co stanowi lokalny punkt odniesienia dla kierunków i zmian prędkości wiatru. Takie sceny pokazują, jak wiry potrafią na siebie oddziaływać – łączyć się lub „pożerać” nawzajem – i potwierdzają, że są jednym z głównych źródeł kurzu w atmosferze. Łącząc lokalne obserwacje z globalnym katalogiem, pojawia się spójny obraz cyrkulacji kurzu na różnych skalach, od ziarnka piasku podskakującego po gruncie do planetarnych prądów niosących chmury kurzu przez kontynenty Marsa.

Od lokalnej meteorologii do globalnego klimatu

Jedną z najważniejszych korzyści z nowego badania jest kalibracja modeli klimatycznych i prognostycznych Marsa. Do tej pory często „zgadywały” one prędkości wiatru z pośrednich pomiarów temperatury i ciśnienia, z bardzo małą liczbą bezpośrednich potwierdzeń na szerokiej skali przestrzennej. Teraz po raz pierwszy dostępny jest zestaw pomiarów, który obejmuje różne szerokości geograficzne, wysokości nad poziomem morza i pory roku. Modele, które w poszczególnych regionach systematycznie niedoszacowują prędkości wiatru, będą musiały zostać zrewidowane, a to w konsekwencji zmieni także szacunki dotyczące tego, ile kurzu krąży, kiedy powstają chmury i jakie są konsekwencje dla bilansu energetycznego atmosfery i powierzchni.

Praktyczne implikacje: energia, optyka, logistyka

Dla misji napędzanych panelami słonecznymi, osadzanie się kurzu jest kwestią życia i śmierci. Niektóre statki kosmiczne zakończyły swoją misję, gdy gęsta „powłoka” zaciemniła panele do tego stopnia, że nie było już wystarczająco dużo prądu do komunikacji lub ogrzewania. Planowanie harmonogramu samoczyszczenia – od wstrząsania i obracania paneli po celowanie w „wietrzne okna”, gdy naturalne spłukiwanie jest częstsze – jest możliwe dopiero, gdy zrozumiemy cykle wirów i lokalne róże wiatrów. Instrumenty optyczne, od kamer po spektrometry laserowe, również cierpią z powodu konsekwencji: drobny kurz osiada na powierzchniach optycznych i zmienia ich widma odbicia, dlatego potrzebne są także nowe strategie ochrony i kalibracji.

Dla bardziej złożonych operacji na gruncie ważna jest także logistyka: harmonogram jazdy, wiercenia i pobierania próbek musi być koordynowany z lokalnymi sygnałami meteorologicznymi. Jeśli podczas najbardziej aktywnych godzin dnia spodziewane jest zwiększone „kurzowe” tło, ma sens przenieść wrażliwe prace na wcześniejsze godziny poranne lub późniejsze popołudniowe. Ocena ryzyka elektryczności statycznej – która może wpływać na instrumenty i komunikację – również zmienia się w zależności od sezonowych i dziennych wzorców wirów, natomiast zespoły mechaniczne (przeguby, zębatki, uszczelki) są wymiarowane, mając na uwadze właściwości ścierne minerałów w unoszących się cząsteczkach.

Otwarte dane i zaawansowana obróbka

Szczególną wartością projektu jest to, że katalog został przygotowany jako otwarty zbiór danych, który jest stopniowo uzupełniany nowymi wpisami. Ponieważ Mars Express i TGO nadal codziennie nagrywają, sieć obserwacji staje się coraz gęstsza, a sieci neuronowe są dodatkowo doskonalone. Tworzy to pozytywne koło: lepsze detekcje zasilają modele, a lepsze modele pomagają znaleźć „gorące punkty” i pory dnia, kiedy jest największe prawdopodobieństwo, że kamera uchwyci przejściowy wir. W nadchodzących miesiącach oczekiwane są także ukierunkowane kampanie nagrywania, które doprowadzą do porównania pomiarów tych samych wirów z różnych platform, aby dodatkowo zmniejszyć błędy w oszacowaniu prędkości i kierunku.

Dlaczego ważne jest aktualizowanie godzin i pór roku — dzisiejsza data i aktualna dynamika

Ponieważ dzisiaj jest 9 października 2025 r., półkula północna Marsa wchodzi w spokojniejszą część roku, kiedy letnie maksimum aktywności wirów stopniowo ustaje. Niemniej jednak, nowe pomiary wyższych prędkości powierzchniowych sugerują, że transport kurzu będzie kontynuowany także w okresie przejściowym, zwłaszcza wzdłuż krawędzi równin i na stromych zboczach, gdzie topografia sprzyja przepływowi. W nadchodzących tygodniach oczekiwana jest publikacja pierwszych zaktualizowanych parametrów dla modeli numerycznych, które uwzględniają nowo ustalone ograniczenia prędkości wiatru w warstwie przygruntowej, co umożliwi dokładniejsze prognozy widoczności i osadzania się kurzu na powierzchniach instrumentów.

Porównania z pomiarami helikopterowymi i powierzchniowymi

Helikopter Ingenuity, który do tego roku wykonał szereg historycznych lotów, sporadycznie notował porywy wiatru silniejsze niż oczekiwano, co wskazywało, że krótkotrwałe wybuchy mogą przewyższać „gładkie” średnie wartości podawane przez stacje meteorologiczne. Nowe katalogi orbitalne zapewniają kontekst: silne wybuchy wiatru nie występują w izolacji, ale w pasach, które podążają za gradientami termicznymi i kanałami rzeźby terenu. Razem, pomiary orbitalne i powierzchniowe stanowią szkielet nowej, synoptycznej meteorologii Marsa, w której małe skale (wiry) i duże skale (regionalne prądy) w końcu siedzą na tej samej „mapie wiatru”.

Dokąd dalej: ukierunkowane kampanie nagrywania

Wiedząc, w jakich godzinach i w jakich porach roku wiry najczęściej powstają, zespoły kamer mogą planować sekwencje z maksymalnym czasem między kanałami, aby uzyskać większą „linię bazową” do pomiaru przesunięcia chmur kurzu. Skoordynowane nagrywanie tego samego wiru z dwóch statków kosmicznych – z różnych geometrii i z różnym opóźnieniem między kanałami – umożliwi walidację metod i zmniejszenie błędów. Kombinacja par stereo i danych wielospektralnych dodatkowo otworzy możliwość oszacowania pionowej struktury obłoków i wielkości cząsteczek, co jest kluczowe dla modelowania grubości optycznej atmosfery i przepływów energetycznych nad różnymi typami terenu.

Kontekst: historia i dziedzictwo europejskich misji

Od przybycia Mars Express pod koniec 2003 roku, Europa systematycznie buduje unikalny zapis fotograficzny Czerwonej Planety. Długowieczność misji i staranna kalibracja instrumentów umożliwiły porównania w zakresie od dni do dziesięcioleci – rzadki przywilej w nauce planetarnej. ExoMars TGO, ze swojej strony, przyniósł wysoką czułość na gazy śladowe i nowoczesną kamerę CaSSIS, co – wraz z umiejętnościami kreatywnych zespołów – umożliwiło ten nowy sposób „wiatrografowania” Marsa. Razem te misje pokazują, ile nauki można wyciągnąć z „efektów ubocznych” instrumentów, gdy zmieni się perspektywę i poszuka sygnału w pozornym szumie.

Mozaika przemysłowa i partnerstwo europejsko-amerykańskie

Odbudowa programu ExoMars po zerwaniu współpracy z Rosją w 2022 r. przyniosła nowy podział ról: firmy europejskie przejęły większą część systemu, podczas gdy Stany Zjednoczone zapewnią rakietę nośną i niektóre krytyczne podsystemy. Airbus w Zjednoczonym Królestwie jest odpowiedzialny za budowę platformy do lądowania, z umową o wartości około 150 milionów funtów, a kluczowym celem jest precyzyjne hamowanie i miękkie umieszczenie łazika na gruncie w 2030 roku. W planowaniu tych scenariuszy wykorzystuje się także nowe pola wiatru uzyskane z katalogu wirów, co zmniejsza niepewności przy projektowaniu spadochronów, retro-rakiet i konstrukcji nóg platformy.

Technika pomiaru: od cienia do prędkości

W przypadku HRSC, do dziewięciu kanałów rejestruje scenę z opóźnieniem od około 7 do 19 sekund. W tym interwale wir przemieszcza się na tyle, że na połączonym zdjęciu pojawia się dyskretne przesunięcie koloru lub „duch”, który zdradza ruch. CaSSIS rejestruje pary z odstępem jednej sekundy dla koloru i około 46 sekund dla stereo; dzięki temu możliwe jest uchwycenie większych przemieszczeń, ale traci się czułość na bardzo krótkotrwałe wibracje lub przyspieszenia. W obu kamerach geometryczna rekoncyliacja kanałów i precyzyjna korekcja zniekształceń są kluczowe, aby odróżnić artefakty od rzeczywistego ruchu chmury kurzu, a dodatkowe walidacje osiąga się poprzez porównywanie z sekwencjami zdjęć z innych orbit i, gdzie to możliwe, z filmami terenowymi z łazików.

Mapy ryzyka i wybór miejsca lądowania

W standardowej praktyce misyjnej, średnie i ekstremalne prędkości wiatru wchodzą w tzw. mapy ryzyka. Porównania między katalogiem wirów a mapami topograficznymi – na przykład krawędzi kraterów lub „wąskich gardeł” między płaskowyżami – wskazują na korytarze wzmożonego przepływu, gdzie niewielki spadek ciśnienia i zmiany rzeźby terenu koncentrują porywy. Ta wiedza jest wykorzystywana do optymalizacji geometrii spadochronów, wymiarowania nóg platformy i definiowania tolerancji na boczne uderzenia wiatru. Równie ważne są cykle dzienne: lądowania, tam gdzie to możliwe, planuje się poza najsilniejszymi dziennymi maksimami aktywności wirowej, aby zmniejszyć szanse na niekontrolowane uderzenia boczne i unoszenie kurzu podczas kontaktu z gruntem.

Co archiwa jeszcze kryją

Archiwa Mars Express i TGO są bogate w sekwencje, w których, oprócz robotycznych oczu skierowanych na geologię, „przypadkowo” ukrywają się klejnoty meteorologiczne. Systematyczne wyszukiwanie wsteczne, w połączeniu z ciągłym szkoleniem algorytmów, prawdopodobnie zwiększy liczbę zanotowanych wirów i poprawi pokrycie przestrzenne. Ponadto, nowe programy skoordynowanego nagrywania tych samych scen w odstępie kilku dni i tygodni powinny rzucić światło na to, jak „ścieżki” wirów zmieniają się w ciągu sezonu i jak długo pozostają widoczne na gruncie jako ciemne, wężowate linie. W ten sposób, w połączeniu z eksperymentami in situ, można by także określić progi erozji różnych typów gruntu pod działaniem krótkotrwałych, ale częstych uderzeń wiatru.

Kurz Marsa jako zasób i wyzwanie

Chociaż kurz przez lata był postrzegany głównie jako przeszkoda, pojawia się coraz więcej propozycji, aby ten wszechobecny materiał traktować także jako zasób. Znajomość granulometrii i właściwości elektrycznych cząsteczek, w połączeniu z mapami wiatru, mogłaby pomóc w rozwoju pasywnych łapaczy, które „zbierają” kurz do analiz eksperymentalnych in situ. Częściowo jest to także kwestia bezpieczeństwa przyszłych astronautów: drobny kurz może być ścierny i elektrostatyczny, dlatego projekt filtrów, uszczelek i skafandrów musi uwzględniać lokalnie oczekiwane prędkości wiatru i typowe wielkości cząsteczek. Każdy nowy piksel na mapie wiatrów staje się więc także nową pozycją w budżecie ryzyka przyszłych załóg.

Jak media przekazują nowe odkrycia i dlaczego liczby należy kontekstualizować

Prędkości 158 km/h brzmią dramatycznie, ale bez kontekstu mogą wprowadzać w błąd. Na Marsie rzadka atmosfera oznacza, że taki wiatr niesie znacznie mniej energii niż burza o tej samej prędkości na Ziemi. Niemniej jednak, właśnie ta mała gęstość jest powodem, dla którego drobne cząsteczki, raz uniesione, długo utrzymują się w powietrzu i pokonują duże odległości. Przesłanie naukowców jest bardziej zniuansowane niż „rekord”: ważne jest to, że po raz pierwszy uzyskaliśmy wiarygodny, przestrzennie rozproszony obraz wiatrów powierzchniowych, który poprawia modele i pomaga uniknąć przeoczeń w planowaniu misji – od przepływów powietrza podczas lądowania po strategie utrzymania zdolności energetycznej i naukowej na gruncie.

Dostępność danych na dzień 9 października 2025 r.

Ponieważ oba orbitery są aktywne także dzisiaj, świeże zdjęcia napływają codziennie. To także poszerza katalog wirów, który jest przeznaczony dla szerokiej społeczności – od klimatologów i geologów po inżynierów i planistów misji. Oczekuje się, że do końca tego marsjańskiego roku będzie dostępnych wystarczająco ujednoliconych zapisów do pierwszej serii ulepszeń globalnych modeli, w tym dokładniejszej parametryzacji źródeł kurzu, sezonowych okien pogodowych do lądowania i szacunków budżetów energetycznych misji, które zależą od Słońca.