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《中国科学报》报道我校董治宝教授团队火星风沙地貌研究成果

来源:《中国科学报》 发布时间:2023-01-15 浏览:

用研究地球沙漠之钥解读火星环境及其演化历史

探索火星风沙地貌与地球沙漠的异同

踏足地球沙漠大地 抬头揭示火星地貌

世界首幅火星风沙地貌图。

太阳系内几个星球上的沙丘。A. 地球阿拉伯半岛鲁卜哈利沙漠的复杂线形沙丘,B. 火星尼利环形山沙地——火星流动性最大的沙地之一的新月形沙丘,C. 金星福尔图娜-麦什凯奈沙地缓慢变化的沙丘,D. 土星最大的卫星——土卫六贝莱特沙地的线形沙丘,E. 丘流莫夫-格拉西缅科彗星哈皮地区的类沙丘地貌格局,F. 冥王星斯普特尼克平原疑似沙丘地貌特征。

董治宝教授(右)与团队成员在我国沙漠区做试验观测。

董治宝教授(前排右二)与研究团队在沙漠科学考察中。图片均由manbetx手机版本登陆行星风沙科学研究院提供


未来人类真的可移民火星吗?

2020年7月23日,“长征五号”遥四运载火箭将中国首个火星探测器“天问一号”送上太空。2021年5月15日,“天问一号”成功着陆红色星球。

“天问一号”飞向火星的第一步是中国人迈向更远深空的关键一步。

在太阳系内的所有天体中,目前人类最有可能移民的就是火星。

“和地球一样,火星主要是由硅酸盐岩石构成,有类似地球的固态岩石表面,属于‘类地行星’家族一员。” manbetx手机版本登陆副校长董治宝教授介绍,“特别是目前从拍摄的火星地貌影像视频和照片可看到,火星基本上如地球上的沙漠区域地貌。为此,研究火星的演化历史首先可以从研究地球上沙漠形成演化入手。”

2023年1月6日下午,冬日暖阳下,寒假中又临近春节的位于西安市长安区的manbetx手机版本登陆长安校区内显得格外寂静,远眺正南方的终南山,在有些雾霾与黄土尘埃的天气中,各种地貌特征若隐若现。《中国科学报》专访了还在进行科研工作的manbetx手机版本登陆行星风沙科学研究院,采访报道他们解读火星环境及其演化历史的相关科研成果。

以教授董治宝为学术带头人的manbetx手机版本登陆行星风沙科学研究院成立于2017年,是世界第一个关于地外行星风沙问题的专业研究机构。但董治宝对火星风沙地貌的关注可追溯至上世纪90年代末,从那时起,他就一直用研究地球沙漠之钥解读火星环境及其演化历史。

“这是增强信心的一个好消息,2022年12月28日我们团队获得国家自然科学基金专项重点项目‘火星代表性风沙地貌横向沙脊的地貌学特征及其环境指示意义 ’资助。”可以感到董治宝还沉浸在获得项目支持的喜悦中。

据了解,近年来,manbetx手机版本登陆行星风沙地貌学研究团队先后承担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”、国家自然科学基金青年科学基金项目“钉状沙丘的形成演化及其与发育环境的关系”“ 雅鲁藏布江谷地与火星水手大峡谷爬坡沙丘的对比研究”等。

“火星虽然与地球十分相似,但是就目前已知的火星环境,还远不能满足人类基本的生存需求……”董治宝强调说,“尽管如此,人们仍对火星研究充满兴趣并为之着迷。”

令人着迷的火星地貌之谜

“我最初研究火星地貌得益于行星地质学和行星风沙地貌学的先驱Ronald Greeley教授给予的研究启蒙。” 董治宝回想说。

1996年11月,正值美国宇航局开启第二次火星探测高潮之际,在美国农业部风蚀研究站作访问学者的董治宝前往亚利桑那州立大学地球与空间探测学院拜见Greeley教授,聆听这位世界权威专家畅谈火星风沙地貌与行星地貌,深深地为他对行星风沙地貌的兴奋和执着所感动。

回国后,他就不遗余力地在各种学术会议或论坛上倡导中国的行星风沙地貌研究。可是受限于当时我国的综合国力与科技实力,学术界还未有对火星地貌等科学问题研究的氛围。 如同火星对我们来说遥不可及。

正所谓“为伊消得人憔悴”,但“衣带渐宽终不悔”,作为第三世界科学院院士、中国科学院兰州沙漠研究所原所长、研究员朱震达的硕士、博士,董治宝继往开来,在不断研究我国沙漠及世界沙漠取得创新成果特别是在风沙物理学理论研究方面取得进展的同时,他仍持续关注火星的国际研究动态。

在踏遍地球上沙漠之后,董治宝对探究火星风沙地貌及其形成、演化问题的兴趣更加强烈。

他虽然对火星风沙地貌进行了长期思考,也常常有“山重水复疑无路”之感。2011年他申报的 “青藏高原及其邻近地区沙漠中的类火星风沙地貌研究”项目获得了国家自然科学基金重点项目资助,迎来“柳暗花明又一村”,点燃了火星风沙地貌研究的“星星之火”。

研究火星地貌有何意义?

人类之所以伟大,是因为人类不断探索大自然和浩瀚宇宙奥秘及提出人类来自何方,又向何处去等等问题,进而通过科技创新创造解答这些问题的工具和手段,最后完美地科学合理解释相关奥秘现象或利用其更好地为人们生活服务。这是董治宝研究火星地貌等课题的意义。

“火星是当前深空探测和行星科学的热点,已有近60年的探测研究历史。虽然火星探测内容复杂多样,探测重点不断调整,但理解火星系统、理解火星演化特别是宜居性的长期演化则是主要探测目标,亦即火星的现在和过去。” 董治宝介绍。

董治宝进一步讲述,我们之所以能够对地球系统有深入的理解是因为有遍布全球观测网的直接观测。对于火星系统的理解,直接的观测目前仅是针对个别要素和极个别地点,基于地理相关的代用指标所蕴含的信息,即使是蛛丝马迹的信息也是非常珍贵的。

“火星风沙地貌研究的意义在于提供火星系统及其演化的重要线索。”

这是因为,首先风沙地貌过程是火星最活跃的现代表面过程,代表火星大气圈、岩石圈、土壤圈、乃至水圈(冰冻圈)的相互作用,所以风沙地貌蕴含火星现代环境的丰富信息;其次,火星地层中保存的古沙丘和古沙丘岩是火星历史时期百万年乃至亿年和十亿年时间尺度上风沙活动的记录,蕴含火星演化的信息。

在董治宝看来,“火星风沙地貌研究能够为实现火星的总体探测目标做出重要贡献。”

研究火星地貌取得成果有何?

manbetx手机版本登陆行星风沙研究院博士拓宇介绍:“董老师时常提醒我们,作为中国最早的火星风沙地貌研究者,我们负有开辟新领域,引领未来研究的责任和义务。”

“可以说,这方面的研究工作,我们是从零开始,首先立足于最基础的工作,在遍览与火星风沙地貌有关的成果与资料,梳理火星风沙地貌的特点与规律基础上,于2020年出版了《火星风沙地貌图》,这是世界首幅以展示火星风沙地貌为主要内容的专题地图。”拓宇介绍。

据了解,该地貌图的出版填补了火星专题图出版的空白,为中国火星科学研究和比较行星研究提供了重要的基础资料,为中国火星风沙地貌学研究的发展奠定了坚实的基础。《火星风沙地貌图》获得中国测绘学会“裴秀奖”金奖。

团队成员教授吕萍介绍:“我们关注火星风沙地貌突出特点,发表了一系列总结性论文,形成了指导中国火星风沙地貌研究和启发中国火星探测的重要认识。”

该研究院借鉴地球风沙地貌的多个分类方案,充分考虑到火星风沙地貌的特殊性,特别是与地球风沙地貌的差异,提出火星基于控制沙丘地貌形态的主要环境因素、动力学因素、以及形态学特征的三级沙丘地貌分类方案,包括24种类型,形成火星风沙地貌类型与形态学特征理论体系。

“与地球相比,火星沙丘地貌类型和形态明显简单。” 董治宝指出,“首先火星沙丘几乎全部为简单沙丘,未见复合沙丘或复杂沙丘。而在地球上的主要沙漠则均有相当面积的复合和复杂沙丘。如塔克拉玛干沙漠的复杂线形沙垄,巴丹吉林沙漠的复合横向沙山,鲁卜哈利沙漠的复合新月形沙山,和纳米布沙漠的复合横向沙山等。”

“其次,在地球上,由于植物的存在,很多沙漠或沙地发育固定沙丘和半固定沙丘,如毛乌素沙地、浑善达克沙地和澳大利亚的多个沙漠。所以,在地球上广泛发育的灌丛沙丘和抛物线沙丘等沙丘地貌类型在火星上不存在。”

“第三,火星风沙地貌类型显示以简单风况环境为主。单一风向形成的新月形沙丘和新月形沙丘链占51%、格状沙丘占23%、楔形沙丘占9%,这三类最基本的简单沙丘合占83%。在地球上,线形沙丘是主要沙丘地貌类型,约占50%,而在火星上仅占8.8%。地球上不重要的格状沙丘却在火星上占23%。”

另外,火星沙丘地貌规模小。如火星风沙地貌分布区的总面积约100万平方千米,远小于地球的800多万平方千米。董治宝进一步补充。

“考虑到火星全球极端干旱气候,且干旱历史相当久远,其风沙地貌分布区的面积确实是太小了。这是一个值得思考的问题,可能与火星演化历史和现代表面过程有关。”

“火星风沙地貌分布零散,各分布区的面积小,罕见像地球上的若干大沙漠。”

据了解,他们在火星沙丘地貌分布规律和研究火星风沙地貌的重要方法方面都取得了一些重要成果,开启人们对火星此方面的新认知并引起人们的极大兴趣。

火星风沙地貌研究得到的几点重要启示

通过火星风沙地貌研究,董治宝他们已经获得了以下几方面的重要启示。

一是,风对地貌的塑造作用远比我们想象的深远。人们已知风与水是塑造地球景观的两大流体,但人们对风如何塑造地貌的理解远不及对水的作用的理解,可以说,人们对风力作用的理解和研究被严重地忽视了。

“风沙地貌过程是火星最活跃的现代地貌过程,火星风沙地貌成为风沙地貌学最活跃的研究领域。” 董治宝强调。

二是火星风沙地貌的沙源限制型假说。火星沙丘地貌分布规律表明,其与地球最突出的不同在于控制火星沙丘地貌分布的主导因素不是气候,而是松散沉积物。

“地球沙漠可以称之为气候控制型。相反,火星寒冷干燥环境的历史久远,风沙地貌发育以及沙漠和沙地的分布受松散沉积物的丰富程度的控制,即有松散沉积物的地方就有风沙地貌发育。所以,火星沙漠和沙地可以称之为沉积物控制型。”

董治宝认为,在风沙地貌形成的两个基本条件中,地球和火星各显其一,这导致了沙丘地貌相反的分布规律。地球沙漠主要分布在副热带高压控制下的低纬度地区和中纬度的温带干旱区,而两极和高纬度地区风沙地貌极少。然而,火星沙漠沙地则主要分布在两极和高纬度地区,中低纬度地区很少。

三是关于火星沉积物丰富度的思考。董治宝认为,火星为何缺乏松散沉积物是值得研究的大科学问题,这不仅是理解风沙地貌必须的,而且提供了认识火星环境与演化历史的重要线索。

“火星现在是一个沉寂的星球,所有地表过程都极为缓慢。虽然风沙地貌过程是主要的现代表面过程,但其强度远比地球弱。火星地表的风化物有限,以至于不能形成较大的沙地,更不用说茫茫沙海。所以,水不但是探测生命的重要线索,而且也是认识火星表面过程的关键因素。”

“火星沙丘地貌的分布特征与规律为认识火星流水作用范围和程度提供了重要启示。”在董治宝看来,“至今我们人类对火星的了解还非常有限。”

报道链接https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/1/492591.shtm