火星风条痕特征及其形成机制

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.074

风条痕是一系列风成特征的总称，表现为与周围背景显著的反照率差异，具有二维平面形状，不具有三维形态，在火星上广泛分布，对火星表面风场乃至全球环流特征具有良好的指示作用，但对其的研究长期被忽视。基于已有研究成果，总结了火星风条痕的类型、形状特征及其形成机制。根据反照率大小及其与障碍物的关系，火星风条痕可以分为6种基本类型：亮色风条痕、暗色风条痕、混合风条痕、黑斑状及其相关的条痕、沙丘尾部条痕和霜冻风条痕，其中，亮色和暗色风条痕最普遍、最具代表性，是火星表面最普遍的多变特征。火星风条痕主要分布于60°S~60°N，不同类型风条痕分布特征稍有差异。因赖以形成的障碍物特征复杂多样，火星风条痕具有多种平面形状，如锥形、扇形、卵形和平行状等。根据火星风条痕沉积物特征与风沙蚀积的关系，亮色风条痕一般为堆积型风条痕，而暗色风条痕则属于风蚀型风条痕。目前，关于亮色风条痕为堆积型认识比较一致，而将暗色风条痕归为风蚀型尚有争议。在缺乏火星气象观测资料的情况下，根据风条痕走向反演火星表面风场特征具有良好的可靠性，并有助于理解地质历史时期风对火星表面的改造作用。

关键词: 火星风沙地貌, 风条痕, 沉积物特征, 形成机制

Wind streaks with two-dimensional plane shapes are a collective term for a variety of aeolian features that display distinctive albedo surface patterns and they do not have three-dimensional shape. Wind streaks are widely distributed on Mars， and are good proxy indicators of the surface wind regime， and even of global circulation patterns on Mars. However， the study on wind streaks has been largely ignored for a long time. Based on published studies， this paper summarized the types， morphology and formation mechanism of wind streaks. According to the relationship between albedo and obstacles， wind streaks can be divided into six basic types： bright wind streaks， dark wind streaks， mixed-tone wind streaks， splotches and related wind streaks， dune shadow wind streaks and frost wind streaks， of which the bright and dark streaks are the most common and representative， for they are the most abundant types of variable features on Mars. Wind streaks are primarily distributed in the latitudinal zone between 60°S and 60°N with little difference among different types， and they have many shapes such as tapered， fan， oval and parallel shapes due to the diverse obstacles. Considering the relationship between sediment characteristics and aeolian erosion and deposition， bright wind streaks are generally depositional with a consensus and dark streaks are erosional with a controversy. In the absence of Martian meteorological observation data， the retrieval of surface wind regime based on the orientation of wind streaks has good reliability， which helps to understand the modifications of Martian surfaces by wind in the geological context.

Key words: Martian aeolian geomorphology, Wind streaks, Sediment characteristics, Formation mechanism

中图分类号:

P185.3

表1 火星风条痕分类方案 ^{[

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Table 1 Classification of Martian wind streaks ^{[

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类型	障碍物种类或风条痕形状	形状描述	长度/km	出现地点	时空变化
亮色风条痕	陨击坑、山丘、陡坡型	泪珠状、锥形、平行状、扇形	5~25	中低纬度地区	小幅变化，夏季主要位于南半球
	槽沟型	锯齿状、线形、不规则形	10~100	叙利亚高原（Syria Planum）、夜迷宫(Labyrinthus Noctis）、科普莱特斯（Coprates）	快速变化，夏、秋季主要位于南半球
	片状	锯齿状、线形、不规则形	10~100	叙利亚高原（Syria Planum）、夜迷宫（Labyrinthus Noctis）、科普莱特斯（Coprates）	快速变化，夏、秋季主要位于南半球
暗色风条痕	陨击坑、陡坡型	扇形、锥形	10~30	25°~40°S，平坦地区	约在沙尘暴发生之后100天
	融合型	不规则形	5~150	萨西斯（Tharsis）、大瑟提斯（Syrtis Major）的区域性山坡	与陨击坑、陡坡型类似，大多发生在沙尘暴之后，也有一些发生在其他时间
	线型	线形	长5~100 宽0.1~4.0	散布	资料不足
混合风条痕	陨击坑型	泪珠状和锥形	5~20	大瑟提斯（Syrtis Major）、萨西斯欧克西亚沼泽（Tharsis Oxia Palus）	资料不足
黑斑状及其相关的风条痕	陨击坑斑点型	平行状和锥形	5~100	科柏洛斯（Cerberus）	偶发，夏季位于南半球
霜冻风条痕	陨击坑型	泪珠状和锥形	5~30	纬度55°~70°的极冠区域	随CO₂霜冠的出现而出现
沙丘尾部风条痕	陨击坑型	泪珠状	5~20	北极沙丘区	资料不足

表1 火星风条痕分类方案 ^{[

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Table 1 Classification of Martian wind streaks ^{[

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类型	障碍物种类或风条痕形状	形状描述	长度/km	出现地点	时空变化
亮色风条痕	陨击坑、山丘、陡坡型	泪珠状、锥形、平行状、扇形	5~25	中低纬度地区	小幅变化，夏季主要位于南半球
	槽沟型	锯齿状、线形、不规则形	10~100	叙利亚高原（Syria Planum）、夜迷宫(Labyrinthus Noctis）、科普莱特斯（Coprates）	快速变化，夏、秋季主要位于南半球
	片状	锯齿状、线形、不规则形	10~100	叙利亚高原（Syria Planum）、夜迷宫（Labyrinthus Noctis）、科普莱特斯（Coprates）	快速变化，夏、秋季主要位于南半球
暗色风条痕	陨击坑、陡坡型	扇形、锥形	10~30	25°~40°S，平坦地区	约在沙尘暴发生之后100天
	融合型	不规则形	5~150	萨西斯（Tharsis）、大瑟提斯（Syrtis Major）的区域性山坡	与陨击坑、陡坡型类似，大多发生在沙尘暴之后，也有一些发生在其他时间
	线型	线形	长5~100 宽0.1~4.0	散布	资料不足
混合风条痕	陨击坑型	泪珠状和锥形	5~20	大瑟提斯（Syrtis Major）、萨西斯欧克西亚沼泽（Tharsis Oxia Palus）	资料不足
黑斑状及其相关的风条痕	陨击坑斑点型	平行状和锥形	5~100	科柏洛斯（Cerberus）	偶发，夏季位于南半球
霜冻风条痕	陨击坑型	泪珠状和锥形	5~30	纬度55°~70°的极冠区域	随CO₂霜冠的出现而出现
沙丘尾部风条痕	陨击坑型	泪珠状	5~20	北极沙丘区	资料不足

图1 火星风条痕典型类型
(a) 亮色风条痕（HiRISE影像：ESP_040963_1960_RED, NASA/JLP/University of Arizona）；(b) 暗色风条痕（CTX影像：K03_054573_1665_XN_13S143W, NASA/JLP/Malin Space Science System）；(c) 混合风条痕（CTX影像：J07_047417_1605_XI_19S246W, NASA/JLP/Malin Space Science System）；(d) 黑斑点状风条痕（THEMIS Day IR影像, Astrogeology Science Center, USGS）；(e) 沙丘尾部风条痕（CTX影像：P02_001709_2578_XN_77N149W, NASA/JLP/ Malin Space Science System）；(f) 霜冻风条痕（HiRISE影像：ESP_020742_0925_RED, NASA/JLP/University of Arizona）

Fig.1 Typical types of wind streaks on Mars
(a) Bright wind streaks (HiRISE image：ESP_040963_1960_RED, NASA/JLP/University of Arizona); (b) Dark wind streaks (CTX image：K03_054573_1665_XN_13S143W, NASA/JLP/Malin Space Science System); (c) Mixed-tone wind streaks (CTX image：J07_047417_1605_XI_19S246W, NASA/JLP/Malin Space Science System); (d) Splotches wind streaks （THEMIS Day IR image, Astrogeology Science Center, USGS）；(e) Dune shadow wind streaks （CTX image：P02_001709_2578_XN_77N149W, NASA/JLP/ Malin Space Science System）；(f) Frost wind streaks （HiRISE image：ESP_020742_0925_RED, NASA/JLP/University of Arizona）

图2 火星陨击坑风条痕的纬向分布（据参考文献［ 18 ］修改）

Fig.2 Latitude distribution of wind streaks in Martian craters（modified after reference［ 18 ］）

图3 风条痕特征参数的定义（据参考文献［ 17 ］修改）

θ

是风条痕的角宽度，指风条痕张开的最大角度； ?是风条痕的伸展方向，从正北方向顺时针旋转至角宽度的平分线处所对应的角度

Fig.3 Definition of characteristic parameters of wind streaks（modified after reference［ 17 ］）

θ

is the angular width (maximum whole angle measured along the sides of the streak); ? is the direction of wind streaks (defined as the bisector of the angular width from north)

图3 风条痕特征参数的定义（据参考文献［ 17 ］修改）

θ

是风条痕的角宽度，指风条痕张开的最大角度； ?是风条痕的伸展方向，从正北方向顺时针旋转至角宽度的平分线处所对应的角度

Fig.3 Definition of characteristic parameters of wind streaks（modified after reference［ 17 ］）

θ

is the angular width (maximum whole angle measured along the sides of the streak); ? is the direction of wind streaks (defined as the bisector of the angular width from north)

图4 火星风条痕长度概率分布（据参考文献［ 17 ］修改）

Fig.4 Probability distribution of wind streak length（modified after reference［ 17 ］）

图5 火星风条痕长度/陨击坑直径值（L/D）的概率分布（据参考文献［ 17 ］修改）

Fig.5 Probability distribution of streak length to crater diameter ratio (L/D)（modified after reference［ 17 ］）

图6 火星风条痕角宽度概率分布（据参考文献［ 17 ］修改）

Fig.6 Probability distribution of wind streak widths（modified after reference［ 17 ］）

图7 火星鹰陨击坑附近风棱石岩尾、平原沙波纹、坑内沙波纹和风条痕走向的对比（据参考文献［ 22 ］修改）

Fig.7 Comparation on the orientations of ventifact rock tails, plains ripples, crater floor ripples and wind streaks on the ?oor of the Eagle crater（modified after reference［ 22 ］）

图8 火星风条痕平均方向的全球分布（据参考文献［ 20 ］修改）
(a)“海盗号”（Viking）数据，1977 年沙尘暴之后；(b)“水手号”（Mariner）数据（1971—1972年），黑色圆圈区域为根据“海盗号”影像获得的全球沙尘暴发生之前的风条痕走向

Fig.8 Global distribution of wind streak orientation（modified after reference［ 20 ］）
(a) Viking data after the sand storm in 1977；(b)Mariner data between 1971 and 1972, areas that were imaged by Viking before the global dust storms are marked with black circles

图9 库姆塔格沙漠北部的舌状风条痕（“羽毛状”沙丘的“羽毛”部分）

Fig.9 Tongue shaped wind streaks in the northern part of the Kumtagh Desert （the "feathery" part of "feathery" dunes）

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Characteristics and Formation Mechanism of Wind Streaks on Mars