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世界首幅火星風(fēng)沙地貌圖。

太陽(yáng)系內(nèi)幾個(gè)星球上的沙丘。A. 地球阿拉伯半島魯卜哈利沙漠的復(fù)雜線形沙丘，B. 火星尼利環(huán)形山沙地——火星流動(dòng)性最大的沙地之一的新月形沙丘，C. 金星福爾圖娜-麥?zhǔn)矂P奈沙地緩慢變化的沙丘，D. 土星最大的衛(wèi)星——土衛(wèi)六貝萊特沙地的線形沙丘，E. 丘流莫夫-格拉西緬科彗星哈皮地區(qū)的類沙丘地貌格局，F(xiàn). 冥王星斯普特尼克平原疑似沙丘地貌特征。

董治寶教授（右）與團(tuán)隊(duì)成員在我國(guó)沙漠區(qū)做試驗(yàn)觀測(cè)。

董治寶教授（前排右二）與研究團(tuán)隊(duì)在沙漠科學(xué)考察中。圖片均由陜西師范大學(xué)行星風(fēng)沙科學(xué)研究院提供

未來(lái)人類真的可移民火星嗎？

2020年7月23日，“長(zhǎng)征五號(hào)”遙四運(yùn)載火箭將中國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”送上太空。2021年5月15日，“天問(wèn)一號(hào)”成功著陸紅色星球。

“天問(wèn)一號(hào)”飛向火星的第一步是中國(guó)人邁向更遠(yuǎn)深空的關(guān)鍵一步。

在太陽(yáng)系內(nèi)的所有天體中，目前人類最有可能移民的就是火星。

“和地球一樣，火星主要是由硅酸鹽巖石構(gòu)成，有類似地球的固態(tài)巖石表面，屬于‘類地行星’家族一員。” 陜西師范大學(xué)副校長(zhǎng)董治寶教授介紹，“特別是目前從拍攝的火星地貌影像視頻和照片可看到，火星基本上如地球上的沙漠區(qū)域地貌。為此，研究火星的演化歷史首先可以從研究地球上沙漠形成演化入手。”

2023年1月6日下午，冬日暖陽(yáng)下，寒假中又臨近春節(jié)的位于西安市長(zhǎng)安區(qū)的陜西師范大學(xué)長(zhǎng)安校區(qū)內(nèi)顯得格外寂靜，遠(yuǎn)眺正南方的終南山，在有些霧霾與黃土塵埃的天氣中，各種地貌特征若隱若現(xiàn)?！吨袊?guó)科學(xué)報(bào)》專訪了還在進(jìn)行科研工作的陜西師范大學(xué)行星風(fēng)沙科學(xué)研究院，采訪報(bào)道他們解讀火星環(huán)境及其演化歷史的相關(guān)科研成果。

以教授董治寶為學(xué)術(shù)帶頭人的陜西師范大學(xué)行星風(fēng)沙科學(xué)研究院成立于2017年，是世界第一個(gè)關(guān)于地外行星風(fēng)沙問(wèn)題的專業(yè)研究機(jī)構(gòu)。但董治寶對(duì)火星風(fēng)沙地貌的關(guān)注可追溯至上世紀(jì)90年代末，從那時(shí)起，他就一直用研究地球沙漠之鑰解讀火星環(huán)境及其演化歷史。

“這是增強(qiáng)信心的一個(gè)好消息，2022年12月28日我們團(tuán)隊(duì)獲得國(guó)家自然科學(xué)基金專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目‘火星代表性風(fēng)沙地貌橫向沙脊的地貌學(xué)特征及其環(huán)境指示意義 ’資助。”可以感到董治寶還沉浸在獲得項(xiàng)目支持的喜悅中。

據(jù)了解，近年來(lái)，陜西師范大學(xué)行星風(fēng)沙地貌學(xué)研究團(tuán)隊(duì)先后承擔(dān)國(guó)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”、國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“釘狀沙丘的形成演化及其與發(fā)育環(huán)境的關(guān)系”“ 雅魯藏布江谷地與火星水手大峽谷爬坡沙丘的對(duì)比研究”等。

“火星雖然與地球十分相似，但是就目前已知的火星環(huán)境，還遠(yuǎn)不能滿足人類基本的生存需求……”董治寶強(qiáng)調(diào)說(shuō)，“盡管如此，人們?nèi)詫?duì)火星研究充滿興趣并為之著迷。”

令人著迷的火星地貌之謎

“我最初研究火星地貌得益于行星地質(zhì)學(xué)和行星風(fēng)沙地貌學(xué)的先驅(qū)Ronald Greeley教授給予的研究啟蒙。” 董治寶回想說(shuō)。

1996年11月，正值美國(guó)宇航局開(kāi)啟第二次火星探測(cè)高潮之際，在美國(guó)農(nóng)業(yè)部風(fēng)蝕研究站作訪問(wèn)學(xué)者的董治寶前往亞利桑那州立大學(xué)地球與空間探測(cè)學(xué)院拜見(jiàn)Greeley教授，聆聽(tīng)這位世界權(quán)威專家暢談火星風(fēng)沙地貌與行星地貌，深深地為他對(duì)行星風(fēng)沙地貌的興奮和執(zhí)著所感動(dòng)。

回國(guó)后，他就不遺余力地在各種學(xué)術(shù)會(huì)議或論壇上倡導(dǎo)中國(guó)的行星風(fēng)沙地貌研究?？墒鞘芟抻诋?dāng)時(shí)我國(guó)的綜合國(guó)力與科技實(shí)力，學(xué)術(shù)界還未有對(duì)火星地貌等科學(xué)問(wèn)題研究的氛圍。 如同火星對(duì)我們來(lái)說(shuō)遙不可及。

正所謂“為伊消得人憔悴”，但“衣帶漸寬終不悔”，作為第三世界科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院蘭州沙漠研究所原所長(zhǎng)、研究員朱震達(dá)的碩士、博士，董治寶繼往開(kāi)來(lái)，在不斷研究我國(guó)沙漠及世界沙漠取得創(chuàng)新成果特別是在風(fēng)沙物理學(xué)理論研究方面取得進(jìn)展的同時(shí)，他仍持續(xù)關(guān)注火星的國(guó)際研究動(dòng)態(tài)。

在踏遍地球上沙漠之后，董治寶對(duì)探究火星風(fēng)沙地貌及其形成、演化問(wèn)題的興趣更加強(qiáng)烈。

他雖然對(duì)火星風(fēng)沙地貌進(jìn)行了長(zhǎng)期思考，也常常有“山重水復(fù)疑無(wú)路”之感。2011年他申報(bào)的 “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”項(xiàng)目獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助，迎來(lái)“柳暗花明又一村”，點(diǎn)燃了火星風(fēng)沙地貌研究的“星星之火”。

研究火星地貌有何意義？

人類之所以偉大，是因?yàn)槿祟惒粩嗵剿鞔笞匀缓秃棋钪鎶W秘及提出人類來(lái)自何方，又向何處去等等問(wèn)題，進(jìn)而通過(guò)科技創(chuàng)新創(chuàng)造解答這些問(wèn)題的工具和手段，最后完美地科學(xué)合理解釋相關(guān)奧秘現(xiàn)象或利用其更好地為人們生活服務(wù)。這是董治寶研究火星地貌等課題的意義。

“火星是當(dāng)前深空探測(cè)和行星科學(xué)的熱點(diǎn)，已有近60年的探測(cè)研究歷史。雖然火星探測(cè)內(nèi)容復(fù)雜多樣，探測(cè)重點(diǎn)不斷調(diào)整，但理解火星系統(tǒng)、理解火星演化特別是宜居性的長(zhǎng)期演化則是主要探測(cè)目標(biāo)，亦即火星的現(xiàn)在和過(guò)去。” 董治寶介紹。

董治寶進(jìn)一步講述，我們之所以能夠?qū)Φ厍蛳到y(tǒng)有深入的理解是因?yàn)橛斜椴既蛴^測(cè)網(wǎng)的直接觀測(cè)。對(duì)于火星系統(tǒng)的理解，直接的觀測(cè)目前僅是針對(duì)個(gè)別要素和極個(gè)別地點(diǎn)，基于地理相關(guān)的代用指標(biāo)所蘊(yùn)含的信息，即使是蛛絲馬跡的信息也是非常珍貴的。

“火星風(fēng)沙地貌研究的意義在于提供火星系統(tǒng)及其演化的重要線索。”

這是因?yàn)椋紫蕊L(fēng)沙地貌過(guò)程是火星最活躍的現(xiàn)代表面過(guò)程，代表火星大氣圈、巖石圈、土壤圈、乃至水圈（冰凍圈）的相互作用，所以風(fēng)沙地貌蘊(yùn)含火星現(xiàn)代環(huán)境的豐富信息；其次，火星地層中保存的古沙丘和古沙丘巖是火星歷史時(shí)期百萬(wàn)年乃至億年和十億年時(shí)間尺度上風(fēng)沙活動(dòng)的記錄，蘊(yùn)含火星演化的信息。

在董治寶看來(lái)，“火星風(fēng)沙地貌研究能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)火星的總體探測(cè)目標(biāo)做出重要貢獻(xiàn)。”

研究火星地貌取得成果有何？

陜西師范大學(xué)行星風(fēng)沙研究院博士拓宇介紹：“董老師時(shí)常提醒我們，作為中國(guó)最早的火星風(fēng)沙地貌研究者，我們負(fù)有開(kāi)辟新領(lǐng)域，引領(lǐng)未來(lái)研究的責(zé)任和義務(wù)。”

“可以說(shuō)，這方面的研究工作，我們是從零開(kāi)始，首先立足于最基礎(chǔ)的工作，在遍覽與火星風(fēng)沙地貌有關(guān)的成果與資料，梳理火星風(fēng)沙地貌的特點(diǎn)與規(guī)律基礎(chǔ)上，于2020年出版了《火星風(fēng)沙地貌圖》，這是世界首幅以展示火星風(fēng)沙地貌為主要內(nèi)容的專題地圖。”拓宇介紹。

據(jù)了解，該地貌圖的出版填補(bǔ)了火星專題圖出版的空白，為中國(guó)火星科學(xué)研究和比較行星研究提供了重要的基礎(chǔ)資料，為中國(guó)火星風(fēng)沙地貌學(xué)研究的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！痘鹦秋L(fēng)沙地貌圖》獲得中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)“裴秀獎(jiǎng)”金獎(jiǎng)。

團(tuán)隊(duì)成員教授呂萍介紹：“我們關(guān)注火星風(fēng)沙地貌突出特點(diǎn)，發(fā)表了一系列總結(jié)性論文，形成了指導(dǎo)中國(guó)火星風(fēng)沙地貌研究和啟發(fā)中國(guó)火星探測(cè)的重要認(rèn)識(shí)。”

該研究院借鑒地球風(fēng)沙地貌的多個(gè)分類方案，充分考慮到火星風(fēng)沙地貌的特殊性，特別是與地球風(fēng)沙地貌的差異，提出火星基于控制沙丘地貌形態(tài)的主要環(huán)境因素、動(dòng)力學(xué)因素、以及形態(tài)學(xué)特征的三級(jí)沙丘地貌分類方案，包括24種類型，形成火星風(fēng)沙地貌類型與形態(tài)學(xué)特征理論體系。

“與地球相比，火星沙丘地貌類型和形態(tài)明顯簡(jiǎn)單。” 董治寶指出，“首先火星沙丘幾乎全部為簡(jiǎn)單沙丘，未見(jiàn)復(fù)合沙丘或復(fù)雜沙丘。而在地球上的主要沙漠則均有相當(dāng)面積的復(fù)合和復(fù)雜沙丘。如塔克拉瑪干沙漠的復(fù)雜線形沙壟，巴丹吉林沙漠的復(fù)合橫向沙山，魯卜哈利沙漠的復(fù)合新月形沙山，和納米布沙漠的復(fù)合橫向沙山等。”

“其次，在地球上，由于植物的存在，很多沙漠或沙地發(fā)育固定沙丘和半固定沙丘，如毛烏素沙地、渾善達(dá)克沙地和澳大利亞的多個(gè)沙漠。所以，在地球上廣泛發(fā)育的灌叢沙丘和拋物線沙丘等沙丘地貌類型在火星上不存在。”

“第三，火星風(fēng)沙地貌類型顯示以簡(jiǎn)單風(fēng)況環(huán)境為主。單一風(fēng)向形成的新月形沙丘和新月形沙丘鏈占51%、格狀沙丘占23%、楔形沙丘占9%，這三類最基本的簡(jiǎn)單沙丘合占83%。在地球上，線形沙丘是主要沙丘地貌類型，約占50%，而在火星上僅占8.8%。地球上不重要的格狀沙丘卻在火星上占23%。”

另外，火星沙丘地貌規(guī)模小。如火星風(fēng)沙地貌分布區(qū)的總面積約100萬(wàn)平方千米，遠(yuǎn)小于地球的800多萬(wàn)平方千米。董治寶進(jìn)一步補(bǔ)充。

“考慮到火星全球極端干旱氣候，且干旱歷史相當(dāng)久遠(yuǎn)，其風(fēng)沙地貌分布區(qū)的面積確實(shí)是太小了。這是一個(gè)值得思考的問(wèn)題，可能與火星演化歷史和現(xiàn)代表面過(guò)程有關(guān)。”

“火星風(fēng)沙地貌分布零散，各分布區(qū)的面積小，罕見(jiàn)像地球上的若干大沙漠。”

據(jù)了解，他們?cè)诨鹦巧城鸬孛卜植家?guī)律和研究火星風(fēng)沙地貌的重要方法方面都取得了一些重要成果，開(kāi)啟人們對(duì)火星此方面的新認(rèn)知并引起人們的極大興趣。

火星風(fēng)沙地貌研究得到的幾點(diǎn)重要啟示

通過(guò)火星風(fēng)沙地貌研究，董治寶他們已經(jīng)獲得了以下幾方面的重要啟示。

一是，風(fēng)對(duì)地貌的塑造作用遠(yuǎn)比我們想象的深遠(yuǎn)。人們已知風(fēng)與水是塑造地球景觀的兩大流體，但人們對(duì)風(fēng)如何塑造地貌的理解遠(yuǎn)不及對(duì)水的作用的理解，可以說(shuō)，人們對(duì)風(fēng)力作用的理解和研究被嚴(yán)重地忽視了。

“風(fēng)沙地貌過(guò)程是火星最活躍的現(xiàn)代地貌過(guò)程，火星風(fēng)沙地貌成為風(fēng)沙地貌學(xué)最活躍的研究領(lǐng)域。” 董治寶強(qiáng)調(diào)。

二是火星風(fēng)沙地貌的沙源限制型假說(shuō)?；鹦巧城鸬孛卜植家?guī)律表明，其與地球最突出的不同在于控制火星沙丘地貌分布的主導(dǎo)因素不是氣候，而是松散沉積物。

“地球沙漠可以稱之為氣候控制型。相反，火星寒冷干燥環(huán)境的歷史久遠(yuǎn)，風(fēng)沙地貌發(fā)育以及沙漠和沙地的分布受松散沉積物的豐富程度的控制，即有松散沉積物的地方就有風(fēng)沙地貌發(fā)育。所以，火星沙漠和沙地可以稱之為沉積物控制型。”

董治寶認(rèn)為，在風(fēng)沙地貌形成的兩個(gè)基本條件中，地球和火星各顯其一，這導(dǎo)致了沙丘地貌相反的分布規(guī)律。地球沙漠主要分布在副熱帶高壓控制下的低緯度地區(qū)和中緯度的溫帶干旱區(qū)，而兩極和高緯度地區(qū)風(fēng)沙地貌極少。然而，火星沙漠沙地則主要分布在兩極和高緯度地區(qū)，中低緯度地區(qū)很少。

三是關(guān)于火星沉積物豐富度的思考。董治寶認(rèn)為，火星為何缺乏松散沉積物是值得研究的大科學(xué)問(wèn)題，這不僅是理解風(fēng)沙地貌必須的，而且提供了認(rèn)識(shí)火星環(huán)境與演化歷史的重要線索。

“火星現(xiàn)在是一個(gè)沉寂的星球，所有地表過(guò)程都極為緩慢。雖然風(fēng)沙地貌過(guò)程是主要的現(xiàn)代表面過(guò)程，但其強(qiáng)度遠(yuǎn)比地球弱?；鹦堑乇淼娘L(fēng)化物有限，以至于不能形成較大的沙地，更不用說(shuō)茫茫沙海。所以，水不但是探測(cè)生命的重要線索，而且也是認(rèn)識(shí)火星表面過(guò)程的關(guān)鍵因素。”

“火星沙丘地貌的分布特征與規(guī)律為認(rèn)識(shí)火星流水作用范圍和程度提供了重要啟示。”在董治寶看來(lái)，“至今我們?nèi)祟悓?duì)火星的了解還非常有限。”

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