Dinamika Infiltrasi di Mars Awal: Implikasi Geomorfik, Iklim, dan Penyimpanan Air

Abstrak
Di Mars purba, integrasi sistem permukaan, air tanah, dan iklim ke dalam sistem hidrologi terpadu masih kurang dipahami. Pembagian presipitasi, antara air permukaan dan air tanah melalui infiltrasi, mengendalikan laju pengisian ulang akuifer Mars dan, selanjutnya, proses erosi permukaan. Kami menyelidiki infiltrasi pada dua skala, dekat permukaan dan kerak dalam. Kami memperkirakan skala waktu infiltrasi, yang mengungkapkan bahwa hilangnya air dekat permukaan meningkatkan erosi aeolian dalam jangka waktu pendek (jam hingga hari). Pengisian ulang kerak dalam, yang memerlukan waktu puluhan hingga ratusan tahun, memengaruhi respons akuifer dalam dan anggaran air. Heterogenitas kerak Mars memengaruhi dinamika infiltrasi dan produksi limpasan yang membuatnya bergantung pada durasi presipitasi. Interaksi ini menunjukkan bahwa respons akuifer terhadap peristiwa pengisian ulang dan naiknya air tanah kemungkinan tertinggal dari kondisi iklim optimum. Ruang akomodasi antara topografi dan akuifer memengaruhi anggaran air Mars dengan menyerap air sementara, sehingga membatasi air yang tersedia untuk penguapan permukaan dan penyertaan dalam dinamika iklim.

Poin-poin Utama

Ringkasan Bahasa Sederhana
Mars purba mengalami periode sesekali dari proses air permukaan dan air tanah yang aktif. Akan tetapi, rincian tentang bagaimana proses permukaan, air tanah, dan iklim berinteraksi untuk membentuk siklus air yang lengkap masih belum jelas. Secara khusus, dinamika proses di mana presipitasi menyusup ke bawah permukaan atau membentuk limpasan permukaan kurang dipahami. Pembagian ini mengendalikan volume air dan skala waktu yang terkait dengan pengisian ulang akuifer Mars purba, dan limpasan air permukaan yang membentuk danau dan cekungan. Kami menyelidiki dinamika infiltrasi dan menghitung berapa lama waktu yang dibutuhkan air untuk meresap ke bawah permukaan Mars yang dangkal dan dalam. Kami menemukan bahwa heterogenitas di bawah permukaan menyebabkan laju infiltrasi yang terus berkembang yang berubah seiring waktu. Ini bukan laju statis seperti yang diasumsikan sebelumnya dalam penelitian sebelumnya. Selain itu, wilayah antara permukaan dan akuifer dalam, yang disebut zona vadose, dapat menampung sementara sejumlah besar air tanah yang belum diperhitungkan dalam penelitian sebelumnya.

1 Pendahuluan
Dalam kondisi saat ini, Mars dingin dan gersang (Haberle et al., 2017 ). Namun, pengamatan geomorfik insting jarak jauh dan in situ memberikan bukti jelas aktivitas air permukaan di masa lalu (misalnya, Ehlmann et al., 2011 ; Fassett & Head, 2008 ; Grotzinger et al., 2014 ; Hynek et al., 2010 ; Manga & Wright, 2021 ; Squyres et al., 2004 ). Bukti yang melimpah untuk aktivitas air permukaan di masa lalu secara alami menyiratkan keberadaan sistem air tanah terkait, dan sistem ini telah disarankan dalam studi sebelumnya (misalnya, Andrews-Hanna et al., 2007 , 2010 ; Clifford, 1993 ; Clifford & Parker, 2001 ; Hiatt et al., 2024 ; Horvath & Andrews-Hanna, 2017 ; Luo & Howard, 2008 ; Malin & Edgett, 2000 ; Salese et al., 2019 ). Namun, hubungan antara iklim, air tanah, dan proses air permukaan, menjadi sistem hidrologi terpadu di Mars awal, masih kurang dipahami.

Ada beberapa proses di mana air dipartisi menjadi sistem hidrologi terpadu (Boatwright & Head, 2019 ) yang telah dipelajari secara ekstensif dalam sistem hidrologi terestrial (misalnya, Cherry & Freeze, 1979 ; Gee & Hillel, 1988 ; Scanlon et al., 2006 ). Infiltrasi adalah salah satu proses yang terjadi ketika presipitasi meresap ke bawah permukaan sebuah planet. Proses lain, produksi limpasan, didefinisikan sebagai persentase presipitasi yang tidak menyusup ke bawah permukaan atau menguap ke atmosfer dan bertindak untuk memindahkan air ke cekungan di mana ia akhirnya dapat diinfiltrasi, diuapkan, atau disimpan. Terakhir, penguapan terjadi ketika air permukaan diuapkan kembali ke atmosfer planet dan ke dalam sistem iklim. Bersama-sama, proses-proses ini menentukan partisi air yang tersedia antara sistem iklim, permukaan, dan air tanah dalam siklus hidrologi terpadu. Dinamika yang berkaitan dengan proses-proses ini ditentukan oleh interaksi berbagai faktor seperti sebaran areal curah hujan, kondisi iklim (kekeringan dan pengendalian suhu terhadap penguapan), topografi (menentukan di mana limpasan akan menghasilkan cekungan) dan ketinggian muka air tanah (mempengaruhi volume total dan laju infiltrasi variabel).

Untuk memperoleh wawasan tentang siklus hidrologi terpadu Mars purba, kami memilih untuk fokus pada laju infiltrasi ke dalam kerak Mars yang dangkal dan dalam. Dalam model hidrologi, laju presipitasi ditentukan oleh solusi model iklim global. Model-model ini berada di luar cakupan karya ini. Ketika laju presipitasi tertentu diterapkan pada permukaan sebuah planet, laju infiltrasi maksimum menentukan persentase presipitasi yang tersisa untuk menghasilkan limpasan. Ketergantungan pada infiltrasi ini menjadikan analisis dinamika proses ini sebagai metode yang menarik untuk mengeksplorasi hubungan antara air permukaan, air tanah, dan sistem iklim di Mars purba.

Proses infiltrasi akan memainkan peran penting dalam proses hidrologi Mars purba, mirip dengan peran infiltrasi di lingkungan gurun terestrial (misalnya, Jarihani et al., 2015 ; Mathias et al., 2021 ). Namun, proses dinamis ini umumnya diabaikan dalam model evolusi daratan (Boatwright & Head, 2019 ). Demikian pula, infiltrasi dinamis sering diabaikan dalam studi air tanah pada skala global dan regional (misalnya, Andrews-Hanna et al., 2010 ; Hiatt et al., 2024 ; Horvath & Andrews-Hanna, 2017 , 2021 ). Ketika infiltrasi dipertimbangkan dalam model, diasumsikan sebagai konstanta yang secara linear memengaruhi produksi limpasan (Boatwright & Head, 2019 ). Dalam karya ini, kami akan menunjukkan bahwa laju infiltrasi konstan yang didefinisikan untuk regolith homogen adalah penyederhanaan yang berlebihan, dan ketergantungan adalah kebalikannya.

Mengukur dan menghitung laju infiltrasi sebagai proses dinamis memiliki implikasi penting untuk pembagian air antara sistem. Secara umum, laju infiltrasi menjadi nonlinier karena penurunan konduktivitas hidrolik yang disebabkan oleh permeabilitas dan porositas menurun seiring kedalaman, pada skala air tanah global yang besar, dan pada skala air tanah dangkal, heterogenitas di zona vadose dan regolith menyebabkan perubahan nonlinier dalam konduktivitas hidrolik dan infiltrasi berikutnya. Saat air tanah menyusup ke area dengan permeabilitas yang lebih rendah di bawah permukaan yang dangkal dan kerak yang dalam, penurunan nonlinier dalam laju infiltrasi akan menyebabkan peningkatan nonlinier dalam produksi limpasan (Beven, 1984 ; Green & Ampt, 1911 ; Kale & Sahoo, 2011 ; Mein & Larson, 1973 ; Selker et al., 1999 ; Shadab & Hesse, 2022 ). Ini menyiratkan bahwa produksi limpasan merupakan fungsi dinamis dari laju infiltrasi variabel, yang merupakan fungsi dari lokasi front basah yang memisahkan daerah yang relatif kering dan basah di bawah permukaan, serta fungsi dari laju presipitasi dan durasi kondisi iklim yang menghasilkan peristiwa presipitasi. Dalam sistem hidrologi terpadu, varians dalam laju limpasan kemudian akan memengaruhi genangan air permukaan dengan mengendalikan volume yang tersedia untuk digenangi dan disimpan. Ini penting karena air di dalam cekungan dapat menjadi sumber penguapan bagi sistem iklim, serta sumber infiltrasi lokal ke dalam sistem air tanah.

Kami menunjukkan bahwa model (Boatwright & Head, 2019 ; Hanna & Phillips, 2005 ; Shadab et al., 2023 , misalnya) untuk permeabilitas dan porositas menurun seiring kedalaman yang umumnya digunakan dalam studi air tanah menghasilkan tingkat pengisian ulang yang semakin berkurang saat front basah meresap ke bawah. Tingkat infiltrasi yang semakin berkurang ini akan meningkatkan limpasan permukaan yang tidak diperhitungkan, yang menyebabkan ketidakakuratan dalam model evolusi lahan. Perkolasi ke bawah menyiratkan bahwa kedalaman muka air tanah di bawah topografi juga menjadi variabel penting dalam siklus hidrologi terintegrasi di Mars awal. Pada skala waktu geologi, kemungkinan besar iklim Mars awal hanya akan menghasilkan peristiwa presipitasi sementara dan berdurasi pendek (Salese et al., 2020 ; Wordsworth, 2016 ), dan muka air tanah kemungkinan akan berada di bawah permukaan selama interval kering (Hiatt et al., 2024 ). Makin dalam muka air tanah dalam, makin besar pula pengurangan laju infiltrasi.

Implikasi tambahan dari sistem permukaan dan air tanah yang terpisah yang belum dipertimbangkan dalam literatur adalah volume ruang akomodasi yang cukup besar dalam ruang pori kosong yang terkandung dalam kerak antara topografi dan muka air tanah. Kami menunjukkan bahwa volume air yang dapat disimpan signifikan jika dibandingkan dengan perkiraan ketersediaan air. Ini berimplikasi pada ketersediaan air permukaan untuk menguap dan kemudian mengendap dalam sistem iklim. Terakhir, kedalaman muka air tanah memengaruhi interval waktu yang diperlukan untuk meresap dari topografi ke muka air tanah. Interval waktu ini akan menunda respons muka air tanah untuk mengisi ulang, yang diabaikan dalam model air tanah kontemporer (misalnya, Andrews-Hanna et al., 2007 , 2008 ; Boatwright & Head, 2019 ; Hiatt et al., 2024 ; Luo & Howard, 2008 ).

Infiltrasi jelas memengaruhi integrasi siklus hidrologi di Mars awal. Dalam karya ini, kami meneliti proses dinamis infiltrasi secara analitis. Mengukur skala waktu yang terkait dengan perkolasi, laju infiltrasi sementara, dan volume pori yang mampu menyerap air akan memungkinkan analisis dan model numerik untuk menggabungkan infiltrasi sebagai proses dinamis. Karya ini berupaya menjawab dua pertanyaan mendasar; Apa peran dinamis infiltrasi di hidrosfer Mars awal dan bagaimana kita dapat menggabungkan temuan ini dalam karya selanjutnya?

2 Model Infiltrasi
Di sini kami mempertimbangkan infiltrasi yang dihasilkan oleh air tergenang yang disebut infiltrasi terbatas perkolasi (Shadab & Hesse, 2022 ). Kami berasumsi bahwa lapisan tergenang cukup tipis dan efek kapiler dapat diabaikan dibandingkan dengan efek gravitasi, mirip dengan Boatwright dan Head ( 2019 ). Asumsi ini merupakan perkiraan yang baik pada skala spasial yang besar atau dalam regolith bertekstur rendah, seperti pasir (Shadab & Hesse, 2022 ). Namun, tidak seperti Boatwright dan Head ( 2019 ), bawah permukaan diasumsikan heterogen dengan penurunan konduktivitas terhadap kedalaman. Fluks air yang ditransmisikan ke bawah permukaan didefinisikan sebagai laju infiltrasi
, dalam media berpori (
/
s) dengan porositas
dan konduktivitas hidrolik
(m/s) menurun atau tetap konstan terhadap kedalaman
(m), yang diberikan oleh

Di mana
adalah kedalaman front pembasahan terhadap permukaan (m) dan
Dan
adalah saturasi residual (fraksi yang ditempati dalam ruang pori) dari fase air dan gas. Model di atas tidak berdimensi dalam Teks S2 dalam Informasi Pendukung S1 dengan memilih skala panjang karakteristik
dan skala waktu
untuk memberikan hasil untuk kelas sifat regolith dengan kedalaman karakteristik variabel dan kapasitas infiltrasi
Untuk infiltrasi akibat lapisan tipis yang tergenang tanpa adanya gaya kapiler, kapasitas infiltrasi
identik dengan konduktivitas hidrolik permukaan
, yang merupakan suatu konstanta. Konversi dari variabel tak berdimensi ke variabel berdimensi memberikan pegangan penting untuk memperkirakan skala waktu, mengingat skala panjang variabel dan jenis regolith. Hal ini memungkinkan pilihan ketebalan atau kapasitas infiltrasi (yaitu, konduktivitas hidrolik permukaan) lapisan/kerak bukit pasir yang paling menggambarkan kondisi geologi yang sedang dipelajari, dengan mempertimbangkan kurangnya pengukuran langsung/tidak langsung. Untuk kedalaman karakteristik
dengan kapasitas infiltrasi
skala waktu karakteristiknya adalah
Dalam gambar, kami juga menunjukkan variabel tanpa dimensi demi keumuman.
Untuk lapisan bawah tanah yang dangkal, kita mempertimbangkan infiltrasi ke dalam bukit pasir sedalam 10 m (
Bahasa Indonesia:
m/s) yang melapisi pasir sementasi (
Bahasa Indonesia:
m/s), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a , yang secara efektif mensimulasikan konfigurasi regolith bertekstur ganda dan khusus dengan transisi kasar ke halus pada kedalaman
m. Solusi analitik untuk lokasi muka basah dan laju infiltrasi untuk konfigurasi regolith dua lapis disediakan dalam Teks S2.2.1 di Informasi Pendukung S1 .

Pada skala kerak bumi, porositas dan konduktivitas dapat diasumsikan menurun seiring dengan kedalaman (Clifford & Parker, 2001 ; Hanna & Phillips, 2005 ; Manning & Ingebritsen, 1999 ) sebagai

Di mana
adalah porositas konstan di permukaan,
adalah kedalaman batuan dasar kedap air dimana
Dan
adalah eksponen hukum daya yang dihitung secara empiris (Gambar 2a ).

Kami mendefinisikan variabel baru, waktu infiltrasi
, sebagai waktu yang dibutuhkan oleh muka air tanah untuk mencapai muka air tanah setelah memasuki lapisan tanah bawah. Waktu infiltrasi dapat dihitung dari Persamaan 1 untuk kerak homogen sebagai

Di mana
adalah kapasitas infiltrasi atau konduktivitas hidrolik di permukaan (m/s), yaitu,
Bahasa Indonesia:
adalah elevasi permukaan topografi (m),
adalah elevasi muka air tanah (m),
adalah elevasi dasar kedap air yang ditetapkan di sini
m. Lebih jauh lagi,
adalah fungsi integral tak berdimensi yang didefinisikan oleh

Fungsi ini dapat dievaluasi secara numerik untuk kedalaman muka air tanah tanpa dimensi.
sekali hukum pangkat eksponen
Dan
didefinisikan. Di sini, kedalaman batuan dasar kedap air di setiap lokasi adalah
Kami menggunakan hasil model akuifer tak tertekan dalam dari Hiatt et al. ( 2024 ) untuk membuat estimasi
di setiap lokasi raster dan data topografi Mars Orbiter Laser Altimeter (Smith et al., 2001 ) untuk memperkirakan
. Perhatikan bahwa tidak seperti model air tanah yang mengukur sifat sebagai fungsi elevasi di atas batuan dasar, model infiltrasi ini menggunakan kedalaman di bawah permukaan. Akibatnya, porositas dan permeabilitas di dua lokasi raster yang berbeda dengan ketinggian yang sama di atas batuan dasar akan identik hanya jika kedalaman permukaan ke batuan dasar sama. Dalam studi ini, kami menganggap batuan dasar kedap air, yang juga dapat dianggap sebagai dasar akuifer. Untuk kerak basaltik dengan peluruhan hukum pangkat (Manning & Ingebritsen, 1999 ), kami memilih porositas permukaan menjadi
dan mengekstrak konduktivitas pada permukaan menjadi sekitar
m/s dan eksponennya adalah
Dan
(Gambar 2a ). Teks S3 dalam Informasi Pendukung S1 memberikan kecocokan hukum daya terhadap porositas menggunakan Clifford dan Parker ( 2001 ) dan permeabilitas/konduktivitas hidrolik dengan kedalaman menggunakan Manning dan Ingebritsen ( 1999 ), bukan peluruhan eksponensial karena gagal meluruh menjadi nol di batuan dasar (Shadab et al., 2023 ). Kami memilih
untuk estimasi sederhana waktu infiltrasi. Selain itu, kami menggunakan akuifer homogen yang setara dengan nilai rata-rata vertikal pada Gambar 3b dengan
Dan
m/s untuk mempertimbangkan efek heterogenitas vertikal. Di bagian pembahasan, jumlah ruang pori yang tersedia dihitung sebagai Lapisan Ekuivalen Global (GEL, dalam m). Teks S1 dalam Informasi Pendukung S1 menjelaskan teori dan implementasi yang digunakan untuk menghitung ekuivalen GEL yang dapat disimpan sementara di zona vadose.

2.1 Implementasi Dinamika Infiltrasi pada Model Air Tanah dan Geomorfologi
Terakhir, kami menyediakan langkah-langkah untuk mengimplementasikan model infiltrasi yang diusulkan dalam model evolusi lahan dan air tanah standar. Tujuan dari bagian ini adalah untuk meningkatkan aksesibilitas model yang diusulkan untuk penelitian di masa mendatang. Jumlah air yang hilang ke bawah permukaan dapat diperhitungkan dalam model geomorfik dan air tanah. Di setiap lokasi raster, fungsi baru dapat diimplementasikan dalam kode yang ada untuk memperkirakan infiltrasi. Fungsi ini melacak laju infiltrasi sesaat
dan lokasi front pembasahan
Laju infiltrasi dapat dihitung secara (semi-)analitis dengan menyelesaikan Persamaan 1 setelah mensubstitusi definisi porositas dan permeabilitas (Persamaan 2 ) untuk laju infiltrasi yang bervariasi terhadap waktu .
dan lokasi front pembasahan
Nilai analitik dan kode terkait ini disediakan dalam Teks S2 dalam Informasi Pendukung S1 (diambil dari Shadab dan Hesse ( 2022 )) dan di Github (Shadab & Hesse, 2022 ; Shadab et al., 2025 ) masing-masing untuk media berpori standar dan kondisi regolith, termasuk lapisan ganda, dan peluruhan eksponensial dan hukum pangkat dalam porositas dan permeabilitas dengan kedalaman. Jumlah air yang hilang ke bawah permukaan adalah hasil kali laju infiltrasi, luas permukaan raster, dan langkah waktu. Setelah dihitung, volume air dapat dikurangi dari volume air permukaan dalam raster hingga air yang dapat diinfiltrasi habis. Dengan menggunakan metode ini, ahli hidrologi dan pemodel Mars dapat dengan mudah menggabungkan estimasi orde pertama kehilangan air akibat infiltrasi ke dalam model yang ada dan yang akan datang.

Untuk menerapkan infiltrasi dalam model air tanah, ada dua skenario yang perlu dipertimbangkan. Jika interval langkah waktu model air tanah lebih besar dari waktu infiltrasi yang dihitung, proses infiltrasi dapat diabaikan. Namun, jika waktu infiltrasi lebih besar dari durasi langkah waktu, penundaan karena infiltrasi harus dipertimbangkan. Setelah muka pembasahan mencapai muka air tanah, muka air tanah dapat diatur ke permukaan, jika pengisian ulang masih berlangsung, atau elevasi muka air tanah kemudian menjadi elevasi topografi permukaan. Ini akan menyebabkan gradien hidrolik lateral dalam akuifer dan memengaruhi ketinggian muka air tanah, sehingga memengaruhi waktu infiltrasi. Setelah lapisan yang tergenang menjadi dapat diabaikan tanpa infiltrasi, ketinggian muka air tanah dapat dilepaskan dan dibiarkan berkembang secara numerik dengan sendirinya.

3 Hasil
Model yang dijelaskan di Bagian 2 dapat digunakan untuk mensimulasikan infiltrasi di Mars awal. Pada Gambar 1a–1f , kami mensimulasikan infiltrasi dangkal ke dalam gundukan pasir sedalam 10 m yang menutupi pasir yang disemen. Awalnya, bagian depan menyebar dengan kecepatan yang relatif cepat dan konstan di lapisan atas gundukan pasir yang sangat konduktif hingga
hari
(Gambar 1a–1c ). Tingkat infiltrasi
tetap konstan selama proses ini, karena kurangnya heterogenitas awal di bawah permukaan yang dialami oleh front pembasahan (Gambar 1g ). Namun, setelah front mencapai kedalaman transisi
M
pada
hari
, kecepatan muka air menurun tajam karena berkurangnya kemampuan lapisan bawah untuk menampung aliran (Gambar 1c ). Hal ini juga menyebabkan penurunan tajam dalam laju infiltrasi yang mengakibatkan peningkatan genangan air di permukaan. Selain itu, laju infiltrasi secara bertahap menurun sesuai dengan kondisi yang dialami di muka air basah yang melambat saat muka air bergerak di dalam lapisan bawah pasir yang disemen (Gambar 1g ). Pada tahap akhir (
hari), dinamikanya sebagian besar diatur oleh lapisan regolith bawah dengan laju infiltrasi secara bertahap menurun secara asimtotik hingga konduktivitas hidrolik jenuhnya
(Gambar 1f dan 1g ). Untuk kedalaman transisi
dari 10 m dengan kapasitas infiltrasi
MS,
= 1 setara dengan
hari. Dengan demikian, bukit pasir dengan kedalaman transisi
dari 1 dan 20 m akan memakan waktu 1,2 dan 23,2 hari, masing-masing, untuk transisi. Skala waktu ini dapat dihitung dengan melakukan redimensionalisasi waktu tanpa dimensi.
ke waktu dimensi
menggunakan
menggunakan kedalaman karakteristik yang sesuai
dan kapasitas infiltrasi
.

Gambar 2a–2f menunjukkan infiltrasi dalam ke kerak Mars yang diasumsikan memiliki penurunan porositas dan konduktivitas yang terus-menerus dan berdasarkan hukum pangkat. Pada kedalaman karakteristik
= 10 kilometer
, porositas dan konduktivitas keduanya menurun hingga nol, yaitu kerak menjadi kedap air. Laju infiltrasi (Gambar 2g ) menurun dengan cepat karena heterogenitas vertikal yang dialami oleh muka pembasahan, yang mengarah ke muka pembasahan yang melambat. Hal ini pada akhirnya mengarah pada penurunan laju kehilangan transmisi air permukaan yang tergenang dalam waktu yang lebih lama. Kerak basaltik dengan konduktivitas hidrolik permukaan atau dalam hal ini kapasitas infiltrasi
m/s, dan kedalaman batuan dasar kedap air
= 10km,
= 1 sesuai dengan
= 316,88 tahun. Untuk periode awal, terjadi penurunan signifikan pada air permukaan yang hilang ke bawah permukaan. Dalam rentang waktu sekitar 126,8 tahun
, kehilangan transmisi dikurangi menjadi kurang dari 1/10 dari nilai awalnya (
m/s). Hal ini menggarisbawahi pentingnya mempertimbangkan heterogenitas di kerak bumi. Jika muka air tanah berada pada kedalaman sekitar 2–5 km
, akan memakan waktu sekitar 50–200 tahun agar muka air tanah mencapai muka air tanah global (Gambar 2b–2d ).

Terakhir, kami mempelajari infiltrasi dalam di dataran tinggi selatan di Mars purba dengan muka air tanah stabil yang ditentukan menggunakan model akuifer air tanah dalam (Hiatt et al., 2024 ). Model air tanah stabil mengasumsikan variasi kosinus dalam distribusi pengisian ulang akuifer. Varians ini berpusat di ekuator dalam pita −45
S sampai 45
N. Tingkat pengisian ulang yang diasumsikan adalah 10
m/tahun. Hal ini mengarah ke muka air tanah yang stabil di bawah sebagian besar topografi (Gambar 3a , lihat keterangan gambar untuk informasi lebih lanjut). Regolith di zona vadose, antara permukaan topografi dan muka air tanah jenuh, dianggap kering. Penyederhanaan ini membantu membuat perkiraan waktu yang dibutuhkan air permukaan untuk mencapai bawah permukaan melalui infiltrasi, disebut sebagai waktu infiltrasi. Di sini kita mempertimbangkan dua jenis kerak, kerak heterogen dengan peluruhan hukum daya (Gambar 3c ) dan kerak homogen yang setara (Gambar 3b ), untuk menyoroti efek heterogenitas vertikal. Untuk kerak basaltik yang seragam, dibutuhkan hampir satu abad (85,16 ± 37,58 tahun) bagi air permukaan untuk mencapai muka air tanah yang stabil di sebagian besar dataran tinggi selatan (Gambar 3b ). Waktu infiltrasi meningkat menjadi beberapa abad di wilayah Tharsis karena peningkatan elevasinya. Di sini kita tidak mengasumsikan aliran permukaan, tetapi kita bermaksud untuk membuat perkiraan pertama dari waktu yang telah berlalu. Untuk kerak heterogen, waktu infiltrasi rata-rata menurun hingga beberapa dekade (37,58 ± 32,07 tahun, Gambar 3c ), seperti yang diperkirakan sebelumnya pada Gambar 2 . Hal ini terjadi karena muka air tanah relatif lebih dekat ke permukaan di sebagian besar dataran tinggi, yaitu, dalam sekitar 10%–20% dari kedalaman permukaan-ke-batuan dasar (Gambar S3a dan S3b dalam Informasi Pendukung S1 ) di mana porositas dan konduktivitas hidrolik lebih tinggi daripada kerak homogen yang mengarah ke front pembasahan yang lebih cepat.

4 Diskusi
Proses infiltrasi merupakan kunci untuk memahami dinamika yang terkait dengan siklus hidrologi terpadu baik pada skala kerak dangkal maupun kerak dalam. Pada skala kerak dalam, laju infiltrasi yang diabaikan atau dibatasi dengan buruk tidak akan menjelaskan keterlambatan respons akuifer sementara akibat skala waktu perkolasi, dan tidak akan menjelaskan dampak ruang penyimpanan pori zona vadose yang akan menyerap air sementara. Pada skala kerak dangkal, mengabaikan atau membatasi laju infiltrasi dengan buruk akan menyebabkan perkiraan yang berlebihan terhadap proses yang berhubungan dengan air, salah tafsir terhadap sejarah hidrologi dan iklim, serta ketidakakuratan dalam memahami pembentukan dan evolusi fitur geomorfik. Tidak ada model yang menyertakan laju infiltrasi dinamis temporal yang dijelaskan dalam karya ini.

Model evolusi daratan yang mengabaikan kehilangan air karena infiltrasi akan menghasilkan perkiraan ketersediaan air yang berlebihan dan prediksi yang tidak akurat mengenai volume dan durasi telaga purba Mars, sungai, dan badan air permukaan lainnya. Ketidakakuratan ini memengaruhi prediksi model. Lebih jauh lagi, volume limpasan yang terlalu tinggi akan menunjukkan tingkat erosi yang lebih tinggi dan kapasitas pengangkutan sedimen yang lebih tinggi. Perkiraan yang berlebihan ini dihasilkan oleh transisi tajam dalam permeabilitas regolith seperti transisi aeolian-ke-megaregolith, serta transisi megaregolith-ke-batuan dasar yang lebih dalam. Saat front basah menghadapi transisi tajam dalam permeabilitas ini, kecepatan front dapat menyebar ke bawah berkurang, yang kemudian memengaruhi laju infiltrasi maksimum di permukaan. Laju infiltrasi sementara ini menggarisbawahi sifat proses pembagian presipitasi, karena perkolasi ke bawah dari front basah menghasilkan peningkatan limpasan. Pada skala kerak dangkal, proses infiltrasi memengaruhi geomorfologi melalui kehilangan air permukaan, yang mengarah pada berkurangnya genangan air permukaan. Model yang tidak memperhitungkan penurunan air permukaan ini memodelkan proses geomorfologi dengan kelebihan air. Regolith dengan penurunan kadar air sebelumnya akan menyebabkan erosi lebih lanjut karena kurangnya kohesi dan peningkatan efek aeolian. Namun, mungkin ada penurunan erosi yang bersamaan karena limpasan karena infiltrasi akan mengurangi volume air yang tersedia untuk proses limpasan. Namun, dalam model selain MARSSIM, laju presipitasi setara dengan produksi limpasan (Howard, 1994 ; Pelletier, 2008 ; Tucker & Hancock, 2010 ).

Model evolusi lahan yang menganggap infiltrasi sebagai proses linier masih menghasilkan ketidakakuratan dengan pendekatan non-dinamis. Model evolusi bentuk lahan MARSSIM mengasumsikan limpasan/infiltrasi lengkap atau infiltrasi-limpasan campuran dalam regolith homogen (Boatwright & Head, 2019 ). Di bawah permukaan dangkal, MARSSIM menggunakan model Green dan Ampt ( 1911 ) dengan mengasumsikan konduktivitas hidrolik konstan.
m/s. Namun, model akuifer air tanah dalamnya mengasumsikan bawah permukaan heterogen dengan konduktivitas hidrolik yang meluruh secara eksponensial dengan kedalaman yang dihitung dengan metode Manning dan Ingebritsen ( 1999 ). Model MARSSIM adalah satu-satunya model yang diketahui penulis yang mencoba menerapkan dinamika infiltrasi, namun, MARSSIM hanya membahas infiltrasi secara kasar dengan mengasumsikan bahwa kehilangan air permukaan terjadi pada laju infiltrasi konstan tanpa mempertimbangkan hidrologi zona vadose. Meskipun MARSSIM lebih maju daripada model lain, pendekatan ini tidak dapat memeriksa efek hidrologi zona vadose dan distribusi air dalam zona vadose. Akibatnya, MARSSIM dapat menimbulkan kesalahan besar dalam kehilangan air permukaan, perhitungan volume air cekungan, dan laju pengisian ulang akuifer dalam karena penggunaan laju infiltrasi non-dinamis. Namun, MARSSIM dapat dengan mudah diperbarui dengan dinamika infiltrasi yang dijelaskan dalam karya ini dan dengan demikian menyediakan alat yang sangat baik untuk pekerjaan masa depan yang menginterogasi efek ini.

Efek dari sistem iklim juga akan mempersulit pembagian air. Karena kondisi iklim yang menghasilkan peristiwa presipitasi berevolusi, durasi peristiwa presipitasi memengaruhi tingkat erosi fluvial. Peristiwa presipitasi durasi pendek memungkinkan persentase air presipitasi yang lebih besar untuk menyusup ke bawah permukaan karena tingkat infiltrasi awal yang tinggi. Namun, untuk badai durasi yang lebih lama, tingkat infiltrasi, atau kehilangan transmisi, akan menurun seiring waktu karena bagian depan basah yang meresap ke bawah berinteraksi dengan lapisan yang kurang permeabel di kedalaman (Gambar 1g ) . Ketergantungan temporal ini selanjutnya diperparah oleh variasi pembagian karena perubahan tingkat presipitasi dan waktu tingkat osilasi dalam peristiwa presipitasi.

Karya ini menyediakan metode untuk memasukkan infiltrasi dinamis ke dalam model evolusi lahan. Laju ini dapat mencakup efek heterogenitas di bawah permukaan yang akan meningkatkan akurasi model. Akan tetapi, metode ini juga menyediakan fungsi berharga lainnya. Model infiltrasi yang diusulkan dapat menjadi metode untuk menghubungkan model evolusi lahan dan air tanah. Dengan demikian, penerapan model infiltrasi saat ini dalam model evolusi lahan Mars seperti MARSSIM dan model air tanah akan memungkinkan penentuan yang lebih akurat tentang pembagian air secara keseluruhan dan evolusi bentuk lahan dalam penyelidikan di masa mendatang.

Seperti yang dibahas sebelumnya, infiltrasi dinamis dapat memengaruhi volume air yang masuk ke cekungan. Telaga purba di dalam cekungan akan kehilangan air ke bawah permukaan dengan urutan besaran yang lebih cepat daripada kehilangan ke atmosfer melalui penguapan. Cekungan ini akan kehilangan air ke bawah permukaan dengan cara dinamis yang sama seperti air permukaan; namun, ini bisa menjadi sumber pengisian ulang yang berkelanjutan untuk sistem air tanah. Studi telaga purba harus mengasumsikan infiltrasi saat memperkirakan umur air permukaan. Peningkatan limpasan ini dapat menghasilkan akumulasi air permukaan di cekungan yang dapat bertindak sebagai sumber titik regional peningkatan infiltrasi dan pengisian ulang ke dalam sistem air tanah.

Untuk infiltrasi yang lebih dalam ke kerak (Gambar 2 ), skala waktu berkisar dari beberapa dekade hingga abad, yang akan terus mengurangi air permukaan yang hilang ke bawah permukaan. Ini menunjukkan bahwa pada skala dekade (atau abad), air dapat menyusup ke kerak di bawah bukit pasir ini (dalam hitungan jam hingga hari tergantung pada kedalaman bukit pasir) dan terus menyusup sementara air yang tergenang meningkat. Waktu infiltrasi untuk mencapai muka air tanah biasanya lebih singkat di kerak heterogen (Gambar 3c ) dibandingkan dengan kerak homogen yang setara (Gambar 3b ). Ini terjadi karena muka air tanah berada dalam sekitar 10%–20% dari kedalaman permukaan-ke-batuan dasar di sebagian besar dataran tinggi (Gambar S3a dan S3b dalam Informasi Pendukung S1 ) di mana porositas dan konduktivitas hidrolik lebih tinggi daripada kerak homogen. Namun, waktu infiltrasi untuk kerak heterogen menjadi lebih lama daripada kerak homogen ketika kedalaman muka air tanah lebih dari
kedalaman permukaan-ke-batuan dasar, karena bagian depan yang basah secara progresif melambat seiring dengan kedalaman karena penurunan porositas dan konduktivitas (Gambar S3c dalam Informasi Pendukung S1 ). Hal ini menunjukkan bahwa heterogenitas kerak akan meningkatkan proses infiltrasi dan dapat mentransmisikan lebih banyak air daripada kasus homogen untuk proses infiltrasi yang lebih pendek hingga bagian depan yang basah mencapai kedalaman di mana konduktivitas hidrolik terintegrasi dari media heterogen menjadi lebih kecil daripada konduktivitas hidrolik rata-rata dari media homogen (lihat Gambar S2 dalam Informasi Pendukung S1 ). Pekerjaan ini juga dapat digunakan untuk memperkirakan waktu infiltrasi cekungan air permukaan, karena mereka kehilangan air ke bawah permukaan selama periode waktu yang lama. Dalam hal ini, hingga bagian depan yang basah mencapai sekitar 40% kedalaman permukaan ke kedalaman batuan dasar (
Kedalaman km ketika batuan dasar berada 10 km di bawah permukaan), medium heterogen menyebabkan lebih banyak kehilangan air permukaan ke bawah permukaan karena laju infiltrasi yang lebih tinggi (Gambar S2a dalam Informasi Pendukung S1 ), menyebabkan front pembasahan yang lebih cepat (Gambar S2b dalam Informasi Pendukung S1 ), dan menyimpan lebih banyak air (Gambar S2c dalam Informasi Pendukung S1 ), daripada kerak homogen yang setara.

Infiltrasi dapat mengurangi jumlah limpasan yang dihasilkan dan karenanya mempengaruhi total air yang tersedia di permukaan untuk diuapkan dan diserap ke dalam sistem iklim. Volume air yang mampu disimpan di zona vadose tidak pernah diperhitungkan dalam literatur Mars atau dalam studi pemodelan air tanah Mars. Jumlah total air, dinyatakan sebagai lapisan ekuivalen global (GEL) di ruang pori kering tanpa dan dengan muka air tanah (Gambar 3a ) adalah 199,18 dan 82,28 m dalam pita lintang
Di seluruh Mars
, ruang pori kering tanpa dan dengan muka air tanah (Gambar 3a ) terdiri dari GEL masing-masing 1059,90 m dan 350,83 m. Anggaran air di zona vadose dan bawah permukaan sangat signifikan dan akan menyebabkan kesalahan yang signifikan
jika tidak diperhitungkan. Hal ini juga mengakibatkan penyerapan air yang berkepanjangan selama waktu yang dibutuhkan untuk meresap ke bawah. Pada akhirnya, air yang meresap mengisi kembali akuifer kerak bumi yang berkembang secara dinamis. Penundaan waktu antara infiltrasi dan pengisian ulang harus dipertimbangkan dalam model air tanah yang ada (misalnya, Andrews-Hanna et al., 2008 ; Boatwright & Head, 2019 ; Hiatt et al., 2024 ).

Penelitian ini mengasumsikan adanya infiltrasi genangan di regolith kering akibat kelebihan presipitasi jika dibandingkan dengan kapasitas infiltrasi
Akibatnya, hal ini menyebabkan front pembasahan yang lebih cepat di regolith yang sepenuhnya menjenuhkan regolith dibandingkan dengan front pembasahan yang tidak jenuh, yang mengarah ke waktu infiltrasi yang lebih pendek. Namun, permukaan dapat tetap tidak jenuh bahkan setelah presipitasi ketika
, mengarah ke front pembasah tak jenuh yang mungkin sepenuhnya jenuh kemudian saat meresap di bawah permukaan dengan porositas dan permeabilitas yang menurun terhadap kedalaman (lihat Shadab & Hesse, 2022 ). Model saat ini dapat dengan mudah diperluas untuk menyertakan front pembasah tak jenuh menggunakan solusi semi-analitik yang disediakan dalam Shadab dan Hesse ( 2022 ), yang merupakan arah untuk pekerjaan di masa mendatang. Selain itu, saturasi awal dalam bawah permukaan dapat semakin memperumit kecepatan front pembasah. Lebih jauh, model tersebut mengasumsikan bahwa dekat permukaan dan kerak dalam Mars awal tidak terpengaruh oleh heterogenitas lokal seperti lapisan regolith atau es yang kedap air di ruang pori. Jika lapisan-lapisan ini dipertimbangkan, sistem air tanah dapat mencakup akuifer tertekan di bawah lapisan kedap air (atau tidak tertekan jika pori-pori tidak jenuh ke ketinggian tempat lapisan kedap air terbentuk) dan tidak tertekan di atas. Laju infiltrasi yang diprediksi dalam karya ini hanya berlaku untuk wilayah tak terbatas dari sistem air tanah. Namun, lokasi front pembasahan dan distribusi termal dapat digunakan untuk memperkirakan pembentukan lapisan es karena pembekuan ulang air yang meresap. Lapisan es yang sudah ada sebelumnya atau yang baru terbentuk ini akan mengurangi kecepatan front pembasahan dan meningkatkan waktu infiltrasi (lihat Colbeck, 1972 ; Harlan, 1973 ; Shadab, Adhikari, et al., 2024 ; Shadab, Rutishauser, et al., 2024 ). Lebih jauh lagi, proses pembekuan ulang juga dapat menyebabkan pembentukan lapisan es kedap air yang menyebabkan aliran permukaan (misalnya, Colbeck, 1977 ; Shadab, Rutishauser, et al., 2024 ), yang diasumsikan terputus secara lateral dan dengan demikian diabaikan dalam analisis saat ini.

5 Kesimpulan
Kami menyelidiki dinamika infiltrasi di Mars awal di dekat permukaan, serta di dalam kerak bumi. Kedua skala spasiotemporal ini menawarkan wawasan utama tentang pembagian air dalam siklus hidrologi terpadu di Mars awal. Infiltrasi di dekat permukaan akan menghasilkan lebih sedikit genangan air dalam model evolusi daratan, dan ini pada akhirnya mendukung erosi aeolian dan geomorfologi yang diamati di permukaan. Kami menemukan bahwa laju infiltrasi menurun seiring waktu sebagai akibat dari adanya heterogenitas vertikal di bawah permukaan. Untuk infiltrasi yang lebih dalam ke kerak Mars, perkolasi front pembasah membutuhkan waktu beberapa dekade hingga abad untuk bergerak dari permukaan ke muka air tanah. Hanya setelah air yang terinfiltrasi meresap ke muka air tanah, air tersebut kemudian mengisi ulang sistem air tanah. Selama perkolasi ke bawah, akumulasi air di ruang pori memiliki kemampuan untuk secara sementara menyerap sebagian besar total anggaran air Mars yang tersedia. Ini memiliki implikasi bagi sistem iklim, karena kondisinya mungkin mendukung presipitasi yang berkelanjutan. Namun, penyerapan sementara dapat mencegah air menguap dan terbagi ke dalam sistem iklim untuk presipitasi yang berkelanjutan. Pekerjaan di masa mendatang termasuk infiltrasi dinamis dalam air tanah dan model evolusi lahan akan membantu mengukur efek konvolusional dari pembagian air dalam sistem iklim dan siklus hidrologi terpadu Mars awal.