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火星沙丘“發育不良”為哪般

來源:中國科學報2019-10-15 09:02

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  (a)火星恒河峽谷廻窩沙丘,外形與新月形沙丘相似;(b)火星水手號峽谷爬坡沙丘,呈片狀、新月形和格狀;(c)火星海拉斯盆地落坡沙丘,位于障礙物下風向堆積形成的線形和新月形沙丘。圖片來源:NASA

  火星,總是能引發人類無限遐思和探索追尋,從小說、電影,到各國政府或私人企業的“探火”計劃,火星的關注熱度愈發高漲。

  10月上旬,我國首次公開火星探測器“真容”,表明我國火星探測準備工作已就緒。對此,太原師范學院副教授李繼彥頗有感慨:“我還在讀博士的時候,一位空間探測的科研前輩曾經透露,中國火星探測器預計到2028年發射。哪想到這么快夢想就要成為現實了!”

  對這個消息感到興奮的,還有李繼彥的合作者——陜西師范大學副校長董治寶,他在國內率先開展火星風沙地貌研究,相關成果將為我國火星探測打下堅實基礎。

  我來自地球,風沙來自火星

  經典科幻小說《沙丘》中,有句話傳播甚廣:人類每次正視自己的渺小,都是自身的一次巨大進步。

  對外太空的探索自古有之。在行星中,火星在地球的人氣,近現代以來已經超越了離地球更近的金星,甚至已經有關于移民火星的討論。

  為什么是火星?

  金星其實比火星熱得多,其表面溫度超過400攝氏度,表面壓力為地球壓力的90余倍,再加上長年特大風暴、強酸雨等特點,造成探測器難以接近。其他行星由于距離等因素,更加難以探測。

  而火星地表環境相對更“友好”:白天地表可以達到27攝氏度,還被發現流動水,并且大氣稀薄有利于探測。這都是火星更受歡迎的客觀原因。

  但對火星的探測、研究,我國屬于起步較晚的。全球最早的火星探測器于1964年成功發射,因此國外地質學家早于上世紀70年代已經通過影像資料開展火星地形地貌的研究。

  董治寶告訴《中國科學報》,火星上現代地表過程極不活躍,沒有強烈的大氣對流,流動水也近乎沒有,相關研究很難開展,而風沙地貌過程是公認的火星最普遍、最活躍的現代地貌過程,因此這是目前獲取火星環境信息最可靠的依據之一。

  針對中國廣袤的干旱區,董治寶一直從事風沙物理、土壤風蝕等方面的基礎研究。自從20世紀末做訪問學者時,在美國宇航局(NASA)相關實驗室接觸行星地貌研究后,他就陸續與國際同行、機構開展合作,把一項最接地氣的研究做到了太空。

  火星沙丘地貌的首次分類

  在未能進行火星現場研究的情況下,在地球找到接近火星地表環境的區域,開展“類火星”研究是必不可少的手段。

  2012年,董治寶團隊申請到了國家自然科學基金重點項目“青藏高原及其鄰近地區沙漠中的類火星風沙地貌研究”,李繼彥正式與董治寶合作進行該方向研究。李繼彥介紹:“盡管差異仍然巨大,但青藏高原荒漠的低溫和低氣壓是地球上與火星相似性最高的地區。”相關成果已經為青藏高原沙漠研究打下重要基礎。

  除此之外,一種更重要的研究方法是,利用覆蓋火星全球的高分辨率遙感影像,在地理信息系統軟件的支持下,認識火星沙丘地貌的形態學特征,挖掘所蘊含的風沙地貌學意義。

  陜西師范大學行星風沙科學研究院執行院長呂萍,在董治寶團隊中是負責數值建模及沙丘形成演變動力學過程研究。

  她介紹,風沙地貌一般分為兩類:風蝕地貌、風積地貌。其中,風積地貌主要指各種類型的沙丘,沙丘與其發育環境有著良好的對應關系,從中可以分析出火星大氣運動、地表過程、環境和演化歷史等豐富信息。例如,沙丘地貌的形態特征成為推斷火星北極表面風場及其季節變化的依據。

  董治寶、李超、呂萍等人在近日發表于《科學通報》的《火星沙丘地貌的形態學窺究》一文中,首次嘗試性地提出了火星沙丘地貌的分類系統,并指出,火星沙丘地貌類型與地球沙丘地貌相似,但火星沙丘規模較地球沙丘小,這與理論上認為火星應具有更大規模沙丘的觀點相悖。

  他們還發現,火星沙丘類型簡單,僅以新月形沙丘、新月形沙丘鏈和橫向沙丘等初級類型為主,復合、復雜沙丘非常少見;而在地球沙丘中占據半壁江山的線形沙丘,在火星上還不到一成。

  而在對地球風沙地貌類型的分類上,由于復雜多樣,以至于不同學者基于不同的考慮重點,提出了十多個沙丘分類系統。

  董治寶還提及,火星沙丘地貌形態參數間的關系與地球及其他星球沙丘相似,但相關關系式不同,意味著具有相似的形成機理、不同的形成條件。“這表明,在地球上研究類火星風沙地貌,如青藏高原的類火星風沙地貌,是認識火星風沙地貌及其發育環境的有效途徑。”

  未解謎團

  董治寶向《中國科學報》指出了一些待解之謎:火星沙丘地貌的簡單性與青藏高原沙丘地貌具有某種程度的相似性,而青藏高原沙丘地貌的簡單性與沙源供應不充分和形成時間短有關,這一推論是否適用于火星?

  火星沙丘類型簡單、規模小的兩個特征,均指向沙丘地貌發育的不充分。然而,到底是什么因素導致火星沙丘地貌發育不充分?發育歷史短,還是其他條件不具備?這都是值得繼續探究的問題。

  而火星沙丘地貌研究的許多空白,如形成歷史和控制條件等,正是由于缺少現場研究和樣品分析造成的。眼下全球“探火”計劃正如火如荼地開展,或許歷史性的突破也指日可待。

  對于中國計劃于2020年發射火星探測器,李繼彥有些激動:“過去我們拿不到最新鮮的一手資料,只能根據國際同行‘嚼’過味兒后才公布出來的數據再跟蹤研究,多少還是有些遺憾的。”

  為了解開謎團,為了應對未來的人才需求,陜西師范大學申請成立的行星風沙科學研究院于今年9月掛牌,董治寶任院長,培養遙感、地理信息、圖像處理、物理等領域的交叉學科人才,致力于太陽系各星球,如地球、火星、金星和土衛六等的風成過程研究,為認識地外星球環境及其演化提供證據。

  董治寶介紹,關于火星風沙地貌研究,下一步將建立火星環境的數學模型,通過不斷推演、反演,研究地球、火星風沙地貌的差異點、相似點。“隨著中國國力提升和‘探火’計劃的推進,行星風沙科學研究的方法、水平一定會有突破,當然,等待解決的科學問題也會升級。”(張楠)

  相關論文信息:https://doi.org/10.1360/TB-2019-0168

[ 責編:趙清建 ]
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