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火星沙丘“发育不良”为哪般

来源:中国科学报2019-10-15 09:02

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  (a)火星恒河峡谷廻窝沙丘,外形与新月形沙丘相似;(b)火星水手号峡谷爬坡沙丘,呈片状、新月形和格状;(c)火星海拉斯盆地落坡沙丘,位于障碍物下风向堆积形成的线形和新月形沙丘。图片来源:NASA

  火星,总是能引发人类无限遐思和探索追寻,从小说、电影,到各国政府或私人企业的“探火”计划,火星的关注热度愈发高涨。

  10月上旬,我国首次公开火星探测器“真容”,表明我国火星探测准备工作已就绪。对此,太原师范学院副教授李继彦颇有感慨:“我还在读博士的时候,一位空间探测的科研前辈曾经透露,中国火星探测器预计到2028年发射。哪想到这么快梦想就要成为现实了!”

  对这个消息感到兴奋的,还有李继彦的合作者——陕西师范大学副校长董治宝,他在国内率先开展火星风沙地貌研究,相关成果将为我国火星探测打下坚实基础。

  我来自地球,风沙来自火星

  经典科幻小说《沙丘》中,有句话传播甚广:人类每次正视自己的渺小,都是自身的一次巨大进步。

  对外太空的探索自古有之。在行星中,火星在地球的人气,近现代以来已经超越了离地球更近的金星,甚至已经有关于移民火星的讨论。

  为什么是火星?

  金星其实比火星热得多,其表面温度超过400摄氏度,表面压力为地球压力的90余倍,再加上长年特大风暴、强酸雨等特点,造成探测器难以接近。其他行星由于距离等因素,更加难以探测。

  而火星地表环境相对更“友好”:白天地表可以达到27摄氏度,还被发现流动水,并且大气稀薄有利于探测。这都是火星更受欢迎的客观原因。

  但对火星的探测、研究,我国属于起步较晚的。全球最早的火星探测器于1964年成功发射,因此国外地质学家早于上世纪70年代已经通过影像资料开展火星地形地貌的研究。

  董治宝告诉《中国科学报》,火星上现代地表过程极不活跃,没有强烈的大气对流,流动水也近乎没有,相关研究很难开展,而风沙地貌过程是公认的火星最普遍、最活跃的现代地貌过程,因此这是目前获取火星环境信息最可靠的依据之一。

  针对中国广袤的干旱区,董治宝一直从事风沙物理、土壤风蚀等方面的基础研究。自从20世纪末做访问学者时,在美国宇航局(NASA)相关实验室接触行星地貌研究后,他就陆续与国际同行、机构开展合作,把一项最接地气的研究做到了太空。

  火星沙丘地貌的首次分类

  在未能进行火星现场研究的情况下,在地球找到接近火星地表环境的区域,开展“类火星”研究是必不可少的手段。

  2012年,董治宝团队申请到了国家自然科学基金重点项目“青藏高原及其邻近地区沙漠中的类火星风沙地貌研究”,李继彦正式与董治宝合作进行该方向研究。李继彦介绍:“尽管差异仍然巨大,但青藏高原荒漠的低温和低气压是地球上与火星相似性最高的地区。”相关成果已经为青藏高原沙漠研究打下重要基础。

  除此之外,一种更重要的研究方法是,利用覆盖火星全球的高分辨率遥感影像,在地理信息系统软件的支持下,认识火星沙丘地貌的形态学特征,挖掘所蕴含的风沙地貌学意义。

  陕西师范大学行星风沙科学研究院执行院长吕萍,在董治宝团队中是负责数值建模及沙丘形成演变动力学过程研究。

  她介绍,风沙地貌一般分为两类:风蚀地貌、风积地貌。其中,风积地貌主要指各种类型的沙丘,沙丘与其发育环境有着良好的对应关系,从中可以分析出火星大气运动、地表过程、环境和演化历史等丰富信息。例如,沙丘地貌的形态特征成为推断火星北极表面风场及其季节变化的依据。

  董治宝、李超、吕萍等人在近日发表于《科学通报》的《火星沙丘地貌的形态学窥究》一文中,首次尝试性地提出了火星沙丘地貌的分类系统,并指出,火星沙丘地貌类型与地球沙丘地貌相似,但火星沙丘规模较地球沙丘小,这与理论上认为火星应具有更大规模沙丘的观点相悖。

  他们还发现,火星沙丘类型简单,仅以新月形沙丘、新月形沙丘链和横向沙丘等初级类型为主,复合、复杂沙丘非常少见;而在地球沙丘中占据半壁江山的线形沙丘,在火星上还不到一成。

  而在对地球风沙地貌类型的分类上,由于复杂多样,以至于不同学者基于不同的考虑重点,提出了十多个沙丘分类系统。

  董治宝还提及,火星沙丘地貌形态参数间的关系与地球及其他星球沙丘相似,但相关关系式不同,意味着具有相似的形成机理、不同的形成条件。“这表明,在地球上研究类火星风沙地貌,如青藏高原的类火星风沙地貌,是认识火星风沙地貌及其发育环境的有效途径。”

  未解谜团

  董治宝向《中国科学报》指出了一些待解之谜:火星沙丘地貌的简单性与青藏高原沙丘地貌具有某种程度的相似性,而青藏高原沙丘地貌的简单性与沙源供应不充分和形成时间短有关,这一推论是否适用于火星?

  火星沙丘类型简单、规模小的两个特征,均指向沙丘地貌发育的不充分。然而,到底是什么因素导致火星沙丘地貌发育不充分?发育历史短,还是其他条件不具备?这都是值得继续探究的问题。

  而火星沙丘地貌研究的许多空白,如形成历史和控制条件等,正是由于缺少现场研究和样品分析造成的。眼下全球“探火”计划正如火如荼地开展,或许历史性的突破也指日可待。

  对于中国计划于2020年发射火星探测器,李继彦有些激动:“过去我们拿不到最新鲜的一手资料,只能根据国际同行‘嚼’过味儿后才公布出来的数据再跟踪研究,多少还是有些遗憾的。”

  为了解开谜团,为了应对未来的人才需求,陕西师范大学申请成立的行星风沙科学研究院于今年9月挂牌,董治宝任院长,培养遥感、地理信息、图像处理、物理等领域的交叉学科人才,致力于太阳系各星球,如地球、火星、金星和土卫六等的风成过程研究,为认识地外星球环境及其演化提供证据。

  董治宝介绍,关于火星风沙地貌研究,下一步将建立火星环境的数学模型,通过不断推演、反演,研究地球、火星风沙地貌的差异点、相似点。“随着中国国力提升和‘探火’计划的推进,行星风沙科学研究的方法、水平一定会有突破,当然,等待解决的科学问题也会升级。”(张楠)

  相关论文信息:https://doi.org/10.1360/TB-2019-0168

[ 责编:赵清建 ]
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