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地球物理学家道格拉斯·杰罗马克 (Douglas Jerolmack) 利用为了解地球裂缝模式而开发的数学框架，调查了整个太阳系的二维裂缝网络( survey two-dimensional fracture networks across the solar system)，这可以为探测其他行星上潜在的宜居环境提供参考。
（从上到下）三个不同星球的表面裂缝模式：火星、木卫二和地球，揭示了裂缝在截然不同的环境条件下是如何形成的。宾夕法尼亚大学地球物理学家道格拉斯·杰罗马克和长期合作者加博尔·多莫科斯利用他们为理解地球裂缝模式而开发的数学框架，调查了整个太阳系的二维裂缝网络。他们的发现可以为探测其他行星上潜在的宜居环境提供参考。
当地球上的泥滩崩塌、木星卫星（木卫二）上的冰盖碎裂、火星上古老的湖床破裂时，这些裂缝是否遵循着隐藏的几何图案？另一颗星球上的类似图案是否暗示那里曾经存在过水——并且可能维持着生命？
对大多数人来说，这些问题只是无聊的好奇，但对宾夕法尼亚大学地球物理学家道格拉斯·杰罗马克和布达佩斯技术与经济大学的数学家加博尔·多莫科斯来说，这些问题是解读太阳系遥远行星表面的关键。
他们发表在《美国国家科学院院刊》上的最新研究表明，行星体断裂的方式并非随机事故，他们的发现可以为探测其他星球上潜在的宜居环境提供参考。
“奇怪的是，大自然在截然不同的环境中一直偏爱相同的模式，”地球与环境科学 Edmund J. 和 Louise W. Kahn 特聘教授 Jerolmack 说道。“我们预计会有一些一致性，但行星表面组织成可预测的裂缝几何形状的程度——无论是冰、岩石还是泥土——令人惊讶。这表明这些模式是基本的，而不仅仅是特定行星的怪癖。”
他们的见解建立在之前的研究基础上，该团队证实了古希腊哲学家柏拉图的预言，柏拉图曾宣称地球本身是由立方体单元组成的。在那篇论文中，他们证明了，“令人惊讶的是，如果你拿出产生的数千个碎片，测量它们的数量，计算面、角和边的数量，然后取平均值，”Jerolmack 说，“那么你最终会得到面的平均数为 6，顶点的平均数为 8，边的数量为 12。”
然而，他们最近的研究重点是行星表面的二维裂缝网络，研究行星体薄壳上的裂缝模式，而不是单个碎片的形状。
“我们想解释现在其他行星上的模式，因为问题是，我们无法看到它们是如何演变的，”多莫科斯说。“我们不在那里。我们无法回到过去。”
他解释说，挑战在于他们正在处理一张动态图片的单帧——行星表面裂缝模式当前状态的冻结快照。创造这些网络的力量不再可直接观察到，而裂缝可能仍在向某个未知的未来状态演变。
“但如果从这张快照中，你可以推断出电影的整个情节呢？”多莫科斯问道。
破解裂缝的密码
为了回答这个问题，博士生索菲·西尔弗 (Sophie Silver) Jerolmack 实验室的候选人首先研究了整个太阳系的行星图像，以了解大自然是否偏爱某些几何图案。
“我查看了一系列行星表面的卫星图像，将它们与实验室实验和地球上的地质构造进行了比较，并试图找出它们裂缝网络中独特的‘指纹’或几何特征，”Silver 说。
他们的方法包含一个简单的分类系统，可以分析三种类型的裂纹连接点的相对比例：T 型、X 型和 Y 型。
这些图片重点展示了火星表面的裂缝（上排）、木星卫星木卫二的冰壳（左下）以及地球上的类似裂缝（中下和右下）。虽然每种环境在温度、物质成分和规模上都大不相同，但裂缝模式却相似，为塑造这些行星表面的地质力量提供了线索。
（图片：由 Sophie Silver 和 Krisztina Regős 提供）
“T 形结构类似于砖墙。它们是最常见的，也是最无趣的——我们在地球上和太空中随处可见——它们与反复断裂形成的分层裂缝网络有关，”Silver 说。
然而，以 X 形结构为主的网络很少见——而且它们只出现在冰中。“到目前为止，除了地球，我们只在木卫二上发现了 X 形结构，木卫二是木星四颗最大卫星中最小的一颗，”她指出。这些图案表明裂缝愈合和重叠——当裂缝被密封（通常是通过重新冻结水）时，新的裂缝会通过愈合区域传播，与旧裂缝相交形成 X 形。
另一方面，形成蜂窝状图案的 Y 形连接开始是 T 形连接，然后通过反复的膨胀和收缩——例如在泥浆中的干湿循环和冰中的冷热温度变化中看到的情况——扭曲成 Y 形。
模拟行星表面的演变
数学家 Krisztina Regős 是布达佩斯技术与经济大学的博士候选人，她与导师 Domokos 和数学家 Péter Bálint 一起完善了数学框架，将断裂网络视为不断发展的马赛克，其图案由其自身特定的物理约束形成。
弥合物理过程与其形成的图案之间的差距有助于数学家所谓的动态系统理论的发展。
“如果我们了解控制裂缝形成和变化的规则，我们就可以‘倒带’并重建电影中缺失的帧，”Domokos 说。“如果我们有行星表面在数千年内变化的实际延时镜头，我们就可以观看和学习。但由于我们没有，我们必须创建一个数学模型，让我们从空间中提取时间。”
Regős 的模型将裂缝模式映射到一个符号平面上——一个抽象的数学空间，在这个空间中可以追踪裂缝网络随时间的变化。通过分析裂缝马赛克的平均几何特性，特别是 T、X 和 Y 连接的比例，并观察它们在符号平面内的聚集情况，研究人员可以推断出这些网络是如何形成的，即使在没有直接观察的情况下也是如此。
在左上图中，这些图根据“细胞度”（垂直轴）和“节点度”（水平轴）对来自多个行星和一颗卫星的裂缝网络进行分类——火星（红色数字 1-9）、金星（绿色数字 10-13）、木卫二（蓝色数字 14-15）和地球（黑色数字 16-18）。在右上图中，行星的网络按 T 形、X 形和 Y 形裂缝连接点的相对比例绘制。每个编号数据点下方的图像显示了裂缝的实际示例，揭示了在截然不同的行星条件下如何出现相似的裂缝模式。
（图片：由 Sophie Silver 和 Krisztina Regős 提供）
“我们没有行星表面在漫长岁月中开裂和移动的影像，”Donokos 说，“但这个模型让我们能够创建类似的东西。通过使用结合断裂和变化规则的动态模型，我们可以非常接近地展示演化过程，预测裂缝网络如何开始以及可能如何结束。”
为了验证他们的方法，该团队将他们的模型的预测与地球、火星、金星和木卫二上现有的断裂模式地质观测进行了比较。该模型的预测与每种情况下与断裂网络形成相关的地质信息相一致，这使得研究人员将他们的模型描述为“非常好的猜测”。
展望未来
“这个项目始于对裂缝网络极其简单的几何分类，”Jerolmack 指出。“然后，动态系统理论将不同的开裂机制提炼为极其简单的几何规则。我们创建了一个由断裂模式和过程组成的玩具宇宙；令人震惊的是，实际宇宙似乎很乐意遵循这个模型。但我们需要对此进行更多测试。”
Silver 目前正在开展实验，旨在在受控条件下重现行星开裂过程——特别是模拟火星上的泥裂和木卫二上的冰裂。这些实验将使研究人员能够真正观看裂缝网络演变的电影，使团队能够对动态裂缝模型进行强有力的测试。
“我希望展示这些实验结果以及它们如何证实该模型将影响更多人在行星表面、地球表面甚至实验室环境中实施这种方法，”Silver 说。
“我理想情况下希望看到这种方法被广泛复制并被多个不同领域的多个人使用……可能确定发射探测器的好地方；例如，如果有人想到‘哦，这个地方有很多六边形——也许这意味着它被弄湿了又干了’，并想到发射探测器，那就太酷了。”
虽然他们在未来 20 到 30 年内不会有来自其他星球的实际电影，但他们计划使用来自太空任务的静态图像继续构建工具和框架，以推断每个星球可能发生的事情和未来会发生什么。
“这是一个从事这个行星际项目的绝佳机会，”Regős 说，“因为即使你现在还不能制作这些电影，我认为它也会对我们如何进行太空旅行产生影响。”
该团队热切期待美国宇航局的木卫二快船（定于 2030 年抵达木星）和欧空局的木星冰卫星探测器（Juice）的到来，这两艘飞船已在前往木星卫星的途中，因为它们将提供冰雪覆盖世界的高分辨率图像，为测试其框架提供新的机会。
“我们已经建立了这个理论结构，但真正的考验将在我们获得这些行星表面的最新高分辨率图像时到来，”Jerolmack 说。“有了来自即将执行的任务的更详细数据，我们可以改进我们的模型，测试其预测能力，甚至确定我们应该寻找过去水活动证据的地方。”
该团队还希望与研究火星古老湖床和木卫二冰壳的行星地质学家合作，利用他们的方法对这些景观的环境条件做出更精确的推断。
Douglas Jerolmack 是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院地球与环境科学系和工程与应用科学学院机械工程与应用力学系的教授。
Gábor Domokos 是布达佩斯技术与经济大学 HUN-REN-BME 形态动力学研究小组的教授兼主任。
Sophie Silver 是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的博士候选人。
Krisztina Regős 是布达佩斯技术与经济大学的博士候选人。
这项研究得到了 NASA PSTAR（拨款 80NSSC22K1313）、匈牙利研究基金（拨款 149429）、匈牙利创新与技术部（通过布达佩斯技术与经济大学）、本杰明·富兰克林奖学金（通过宾夕法尼亚大学）和阿尔布雷希特科学奖学金的支持。
(宾夕法尼亚大学艺术、人文与社会科学研究2025 年 3 月 )
通过观察和模拟地表过程了解地质变化 (B. Boatwright)
标题：通过观察和建模行星表面过程了解地质变化
演讲者：Benjamin Boatwright（申请人）
摘要：
我将回顾过去几年我在火星和月球行星表面过程方面所做的工作。我对早期火星气候历史的研究涉及对可能通过冰川融化形成的冰前古湖和坑底陨石坑的描述，这与预测周围“寒冷和冰冷”条件的早期火星气候模型一致。我在火星上的工作已经扩展到地形扩散建模，其中我描述了大气过滤和陨石坑大小频率分布对撞击引起的扩散过程的影响。最后，我将回顾我发布的开源数据存储库，其中包含火星和月球的数字高程模型，包括月球南极候选阿尔忒弥斯着陆点的 DEM。我将展示这些数据集可能用于 3-D 可视化的一些应用示例。
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PSI 的科学家和教育工作者参与了众多 NASA 和国际任务，研究了火星、地球和其他行星、月球、小行星、彗星、行星际尘埃、撞击物理学、太阳系的起源、太阳系外行星的形成、动力学、生命的兴起和其他研究领域。他们在地球各大洲进行实地考察，以了解我们的星球和其他星球。他们还通过学校项目、儿童读物、科普读物、播客和艺术等方式积极参与世界各地的科学教育和公众宣传。
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常接觸女色的人，臉上會有些明顯特徵，這是從相貌上能察覺出來的。
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