（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(fēng)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(fā)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(yè)的“探火”計(jì)劃，火星的關(guān)注熱度愈發(fā)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(zhǔn)備工作已就緒。對此，太原師范學(xué)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(jīng)透露，中國火星探測器預(yù)計(jì)到2028年發(fā)射。哪想到這么快夢想就要成為現(xiàn)實(shí)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(xué)副校長董治寶，他在國內(nèi)率先開展火星風(fēng)沙地貌研究，相關(guān)成果將為我國火星探測打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

我來自地球，風(fēng)沙來自火星

經(jīng)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(jìn)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(xiàn)代以來已經(jīng)超越了離地球更近的金星，甚至已經(jīng)有關(guān)于移民火星的討論。

為什么是火星？

金星其實(shí)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(fēng)暴、強(qiáng)酸雨等特點(diǎn)，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(huán)境相對更“友好”：白天地表可以達(dá)到27攝氏度，還被發(fā)現(xiàn)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(fā)射，因此國外地質(zhì)學(xué)家早于上世紀(jì)70年代已經(jīng)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(xué)報(bào)》，火星上現(xiàn)代地表過程極不活躍，沒有強(qiáng)烈的大氣對流，流動水也近乎沒有，相關(guān)研究很難開展，而風(fēng)沙地貌過程是公認(rèn)的火星最普遍、最活躍的現(xiàn)代地貌過程，因此這是目前獲取火星環(huán)境信息最可靠的依據(jù)之一。

針對中國廣袤的干旱區(qū)，董治寶一直從事風(fēng)沙物理、土壤風(fēng)蝕等方面的基礎(chǔ)研究。自從20世紀(jì)末做訪問學(xué)者時，在美國宇航局（NASA）相關(guān)實(shí)驗(yàn)室接觸行星地貌研究后，他就陸續(xù)與國際同行、機(jī)構(gòu)開展合作，把一項(xiàng)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(jìn)行火星現(xiàn)場研究的情況下，在地球找到接近火星地表環(huán)境的區(qū)域，開展“類火星”研究是必不可少的手段。

2012年，董治寶團(tuán)隊(duì)申請到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“青藏高原及其鄰近地區(qū)沙漠中的類火星風(fēng)沙地貌研究”，李繼彥正式與董治寶合作進(jìn)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(qū)?！毕嚓P(guān)成果已經(jīng)為青藏高原沙漠研究打下重要基礎(chǔ)。

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(tǒng)軟件的支持下，認(rèn)識火星沙丘地貌的形態(tài)學(xué)特征，挖掘所蘊(yùn)含的風(fēng)沙地貌學(xué)意義。

陜西師范大學(xué)行星風(fēng)沙科學(xué)研究院執(zhí)行院長呂萍，在董治寶團(tuán)隊(duì)中是負(fù)責(zé)數(shù)值建模及沙丘形成演變動力學(xué)過程研究。

她介紹，風(fēng)沙地貌一般分為兩類：風(fēng)蝕地貌、風(fēng)積地貌。其中，風(fēng)積地貌主要指各種類型的沙丘，沙丘與其發(fā)育環(huán)境有著良好的對應(yīng)關(guān)系，從中可以分析出火星大氣運(yùn)動、地表過程、環(huán)境和演化歷史等豐富信息。例如，沙丘地貌的形態(tài)特征成為推斷火星北極表面風(fēng)場及其季節(jié)變化的依據(jù)。

董治寶、李超、呂萍等人在近日發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》的《火星沙丘地貌的形態(tài)學(xué)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(tǒng)，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(guī)模較地球沙丘小，這與理論上認(rèn)為火星應(yīng)具有更大規(guī)模沙丘的觀點(diǎn)相悖。

他們還發(fā)現(xiàn)，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(fù)合、復(fù)雜沙丘非常少見；而在地球沙丘中占據(jù)半壁江山的線形沙丘，在火星上還不到一成。

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

董治寶還提及，火星沙丘地貌形態(tài)參數(shù)間的關(guān)系與地球及其他星球沙丘相似，但相關(guān)關(guān)系式不同，意味著具有相似的形成機(jī)理、不同的形成條件?！斑@表明，在地球上研究類火星風(fēng)沙地貌，如青藏高原的類火星風(fēng)沙地貌，是認(rèn)識火星風(fēng)沙地貌及其發(fā)育環(huán)境的有效途徑?！?/p>

未解謎團(tuán)

董治寶向《中國科學(xué)報(bào)》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(yīng)不充分和形成時間短有關(guān)，這一推論是否適用于火星？

火星沙丘類型簡單、規(guī)模小的兩個特征，均指向沙丘地貌發(fā)育的不充分。然而，到底是什么因素導(dǎo)致火星沙丘地貌發(fā)育不充分？發(fā)育歷史短，還是其他條件不具備？這都是值得繼續(xù)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(xiàn)場研究和樣品分析造成的。眼下全球“探火”計(jì)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(jì)劃于2020年發(fā)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(jù)國際同行‘嚼’過味兒后才公布出來的數(shù)據(jù)再跟蹤研究，多少還是有些遺憾的?！?/p>

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

董治寶介紹，關(guān)于火星風(fēng)沙地貌研究，下一步將建立火星環(huán)境的數(shù)學(xué)模型，通過不斷推演、反演，研究地球、火星風(fēng)沙地貌的差異點(diǎn)、相似點(diǎn)?！半S著中國國力提升和‘探火’計(jì)劃的推進(jìn)，行星風(fēng)沙科學(xué)研究的方法、水平一定會有突破，當(dāng)然，等待解決的科學(xué)問題也會升級。”（張楠）

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1360/TB-2019-0168

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