地球科学进展, 2019, 34(10): 1001-1014 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.10.1001

综述与评述

深空探测时代的风沙地貌学

董治宝,, 吕萍

陕西师范大学行星风沙科学研究院,陕西 西安 710119

Aeolian Geomorphology in the Era of Deep Space Exploration

Dong Zhibao,, Ping Lü

Planetary Aeolian Research Institute, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China

收稿日期: 2019-09-05   修回日期: 2019-09-25   网络出版日期: 2019-11-29

基金资助: 国家自然科学基金项目“塔里木盆地周围干燥剥蚀山地风化速率研究”.  41930641
“巴丹吉林沙漠高大沙山系统的形成”.  41871008

Received: 2019-09-05   Revised: 2019-09-25   Online: 2019-11-29

作者简介 About authors

董治宝(1966-),男,陕西榆林人,教授,主要从事风沙物理研究.E-mail:zbdong@snnu.edu.cn

DongZhibao(1966-),male,YulinCity,ShaanxiProvince,Professor.Researchareasincludeaeoliangeomorphologyandphysicsofblownsand.E-mail:zbdong@snnu.edu.cn

摘要

“深海、深地、深空”探测为地球科学发展提供了机遇与挑战,地球科学开始迎接以火星探测为代表的深空探测高潮。中国将于2020年实施火星探测计划,对火星开展全球性、综合性的环绕探测,并对局部地区开展巡视探测。行星地学研究,包括风沙地貌学,需要未雨绸缪,做好准备。基于风沙地貌学的发展历史与趋势,将发展历史划分为只关注风沙地貌本身的经典研究、关注地球系统的现代研究和关注地外星球的未来研究3个阶段,总结了各阶段的特点,认为深空探测时代的行星风沙地貌学研究已水到渠成。随之重点总结了行星风沙地貌学的发展与成就,指出亟待解决的问题,展望未来发展方向。现已探明在火星、金星和土卫六上有多种类型风沙地貌发育,风成过程甚至是这些星球最活跃的现代表面过程。不同星球风沙地貌具有较好的相似性,但差异也很明显,意味着风沙地貌发育机理的统一性和形成条件的多样性,风沙地貌学理论需要通过不同星球风沙地貌的对比研究逐步完善和拓展。地外行星上较为简单的形成条件在展示风沙地貌形成规律和机理方面具有明显优势,深空探测时代的风沙地貌学方兴未艾。

关键词: 深空探测 ; 风沙地貌 ; 金星 ; 火星 ; 土卫六

Abstract

The exploration of "Deep Sea, Deep Earth and Deep Space" provides opportunities and challenges for the development of geoscience, and geographical science begins to meet the climax of deep space exploration represented by Mars. In China, Martian exploration will be launched in 2020, which will carry out global and comprehensive surrounding exploration of Mars, patrol detection in some local areas, researchers need to be well prepared for the study of planetary geosciences including aeolian geomorphology based on these coming data. Aeolian geomorphology is divided into three stages based on the development history and trend: classical research focusing on single dune observation, modern research with earth system ideology and future research mainly on extra-terrestrial planets. The characteristics of each developing stage were summarized, and we believe that the planetary aeolian research will come naturally. Then, the development and achievement of planetary aeolian research are summarized, the existing problems and future developing trend were also discussed here. Study shows that there are many types of aeolian landforms on Mars, Venus and Titan, and the aeolian process is the most active modern surface process. Aeolian geomorphology in different planets has good similarity, but the difference is also obvious, which means that they have similar formation mechanism, but different formation and evolution conditions, therefore, the theory of aeolian geomorphology will be improved and enriched gradually through the comparative study on different planets. There are obvious advantages in revealing the formation laws and mechanism of aeolian geomorphology in extraterrestrial planets because of the simple formation conditions, and the research of aeolian geomorphology in the era of deep space exploration is in the ascendant.

Keywords: Deep exploration ; Aeolian geomorphology ; Venus ; Mars ; Titan.

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董治宝, 吕萍. 深空探测时代的风沙地貌学. 地球科学进展[J], 2019, 34(10): 1001-1014 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.10.1001

Dong Zhibao, Ping Lü. Aeolian Geomorphology in the Era of Deep Space Exploration. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(10): 1001-1014 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.10.1001

2016年中国科技部“十三五”规划纲要提出要加强“深海、深地、深空、深蓝”4个领域的战略高技术部署,其中,深海、深地和深空探测为地球科学发展提供了机遇与挑战。国家自然科学基金委员会近年来也提出针对深海、深地和深空探测的发展战略。深空探测的战略部署是既要按步骤实施载人航天工程和探月工程,也要启动首次火星探测,推进深空探测,中国于2019年9月上旬首次公开的火星探测器将于2020年发射。根据已实施的深空探测计划,地球科学将在其中发挥重要作用,使天文学主导的行星科学逐渐向地球科学主导的方向发展。地貌是最早被观察到的地外星球表面特征,所以也是最令地球科学家感兴趣的内容。太阳系的火星、金星和土卫六都有风沙地貌发育,而且风沙地貌过程是这些星球上的主要表面过程。特别是火星风沙地貌已有较多的研究,认识不断深入。开展地外星球风沙地貌研究具有三方面的重要意义:为认识星球环境及其演化历史提供重要线索;为进一步制定探测规划,如探测内容和探测地点的制定,提供依据;完善和拓展风沙地貌学理论。世界将迎来新一轮深空探测高潮,美国、欧洲空间局、俄罗斯、中国、阿联酋等推出各自的火星探测计划,为行星风沙地貌学的发展提供了机遇。本文基于风沙地貌学的发展历史,总结了行星风沙地貌学的发展与成就,希望对深空探测时代的风沙地貌学研究有所启发。

1 从空间观察风沙地貌

地貌是最直观,人类最早关注的地理要素之一。地貌学高度依赖于观察,在地理学中,没有其他任何一门学科的知识积累乃至学科的发展对人类观察能力和观测技术进步的依赖程度如此之高。在相当长的历史时期,人类对地貌的观察仅限于自身周围,偶尔有来自他人对其他更远地方的描述,以至于地貌学作为一门独立的学科在19世纪后半叶才发展起来。沙漠更是人类观察的长期禁区,以风沙活动为外营力的风沙地貌研究则出现得更晚。20世纪60年代以来,空间技术的发展使人类能够从太空观察地球以及其他地外星球,截至2015年,航天器已到达太阳系的每一个行星、主要卫星、重要的小行星和彗星,发回的地外星球及地球表面的影像令地貌学家振奋,对地貌学乃至整个地球科学产生了划时代的影响:观察范围的大幅度扩展促进了区域地貌的综合研究,基于美国第一颗陆地卫星(Landsat-1)影像的研究成果《Geomorphology from Space: A Global Overview of Regional Landforms》[1],首次显示了空间探测资料在地貌学理论和应用研究中的潜在价值。使行星表面的研究从天文学主导转向以地球科学为主导,催生行星地质学和行星地貌学研究[2,3],并得到快速发展,《Introduction to Planetary Geomorphology》[2]介绍了太阳系八大行星及其主要卫星的地貌概况。

风沙地貌研究在这一轮地貌学复兴浪潮中充分利用新技术,在区域综合研究和地外行星研究等方面得以长足的发展,空间观察技术在风沙地貌研究中的优越性尤为突出,一是因为以往风沙地貌研究的空白区域很多,二是因为干旱区的大气条件和裸露的地貌有利于空间观察,这主要体现在4个方面:展现了未知区域丰富的风沙地貌现象,激发了研究兴趣。首先是沙漠腹地的奥秘,由于缺乏直接利用价值,沙漠腹地长期是人类了解最少的区域,然而这里也正是风沙地貌的奥秘所在,空间观察技术展示了很多奥秘。1972年,美国陆地资源卫星拍摄的罗布泊“大耳朵”影像全面清晰地展现了罗布泊变迁的痕迹,引发了关于罗布泊湖泊与环境变化的持续研究,如罗布泊的游移问题、水量变化、文明兴衰、环境变迁及其与全球变化的关系[4]。卫星影像上显示的柴达木盆地和世界其他地区雅丹地貌的流线型形态特征及其与当地盛行风向一致的走向,是雅丹地貌风成说的有力证据。卫星影像还展示了发育在主要气候带之外,如南极、青藏高原冰缘地带以及地外星球,如火星、金星和土卫六的风沙地貌,拓展了探索区域和研究视野[2,5]全面完整地展现了风沙地貌格局,使风沙地貌格局研究在丰富风沙地貌学理论方面显示重要潜力。任何进入沙漠的人首先惊叹于沙丘如此有规律的排列。当遥感影像展现沙漠腹地普遍类似的沙丘排列规律时,风沙地貌研究者意识到这一规律所蕴含的科学理论,由此兴起的风沙地貌格局研究成为风沙地貌学的重要方向。应用自组织理论和数值模拟对沙丘地貌格局研究的成功尝试,是近30年来风沙地貌学理论研究方面的重要进展,地貌格局参数可能是揭示沙丘地貌形成机理的有效参数,在各种发育环境均表现良好的一致性[6]全景展现风沙地貌的发育环境[7],推进区域综合研究。认识发育环境是揭示地貌规律、形成机理、发育过程及其地理意义的重要途径,地貌区域综合研究的重要意义即在于此。实际上,空间观察对地貌学的革命性影响首先体现在区域地貌的分析方面,甚至为自然地理区域研究提供重要的线索。在风沙地貌研究中,遥感影像显示了风沙地貌的类型与分布规律,特别是各种类型风沙地貌发育的自然地理背景。如塔克拉玛干沙漠自沙漠北部边缘到沙漠腹地,沙丘类型依次为新月形沙丘和新月形沙丘链、复合穹状沙山和复杂线形沙垄;库姆塔格沙漠自北向南沙丘类型依次为耙状线形沙丘、新月形沙丘链和星状沙丘。清晰显示了塔克拉玛干沙漠和库姆塔格沙漠与周围冲积—洪积扇的关系,为探索不同发育环境中的风沙地貌特征及其形成机理提供了重要线索。发现新的风沙地貌现象与规律,在验证和完善风沙地貌学理论方面具有重要意义。风沙地貌理论来自不同区域规律的归纳与综合,即从特殊规律中发现普遍规律,而普遍规律的总结与凝练需要基于广泛的特殊规律的认识。风沙地貌研究中的一个突出问题是对不同区域的了解与认识有限,以至于多种假说并存,随着对众多区域各种风沙地貌现象与规律认识的积累,假说在不断减少,形成了普遍接受的科学理论。如普遍认为,沙丘形态与风况有很好的对应关系,即不同沙丘发育在不同的风况中。而遥感影像发现,在很多沙漠有不同类型沙丘地貌的共生现象,进一步探究发现,风况并非控制沙丘形态的唯一因素,沙源丰富度也起很大作用[8],对传统风沙地貌做了重要补充。

从空间观察风沙地貌最早的2个标志性成果是1979年出版的《A Study of Global Sand Seas》[9]和1985年出版的《Wind as a Geological Process on Earth, Mars, Venus and Titan》[10],分别代表全球尺度和地外行星的风沙地貌研究,成为影响气候研究的重要著作。《A Study of Global Sand Seas》一书利用遥感影像、已有研究文献及地面风况资料对全球不同沙漠进行了区域风沙地貌研究,研究区域涉及全球八大地区17个国家。提出了基于地面观测和遥感影像(包括卫星和航空影像)的沙丘分类系统,基本(简单)沙丘、复合沙丘和复杂沙丘的概念,以及表征风况的“输沙势”概念及其计算方法,根据输沙势对风况的方向组合和相对强度进行分类。通过对全球若干典型地区沙丘类型与风况的分析,归纳了新月形沙丘、穹状沙丘、横向沙丘、线形沙丘和星状沙丘所对应的风能环境。利用当时的卫星影像研究了全球不同沙漠典型地区主要沙丘类型的形态学特征。这是风沙地貌区域综合研究的典范,之后又有关于纳米布沙漠、阿拉伯半岛沙漠和埃及沙漠风沙地貌的区域综合研究[11,12,13]

《Wind as a Geological Process on Earth, Mars, Venus and Titan》一书从风沙地貌过程是风对固体地表作用的产物这一思想出发,探索有大气运动和固体地表的太阳系星球可能发生的风沙地貌过程,首先关注的地外星球包括火星、金星和土卫六,基于20世纪70年代有限的遥感影像,对地外星球风沙地貌特征及其形成过程进行解释和推测,根据已有的关于地球风沙地貌过程的认识推测其他地外星球的风沙地貌过程。充分认识到其他地外星球与地球的不同,特别注意到其他地外星球在研究风沙地貌中的优越性,如地外星球的风沙地貌过程未受水和植被的影响,更有利于理解风沙地貌过程的机理。20世纪90年代以来,深空探测进入新的活跃期,遥感影像的分辨率大幅提高,覆盖火星全球,甚至有火星地面拍摄到的影像和其他探测资料,能够观察沙丘和风蚀地貌的沉积构造、沙丘动态变化以及发生在沙丘表面的其他作用,地外星球的风沙地貌代表目前风沙地貌研究的一个重要方向。

2 风沙地貌学的经典研究:关注风沙地貌本身

与19世纪后半叶地貌学作为一门独立的学科从地质学中分离出来一样,始于20世纪30~40年代的经典风沙地貌研究从沉积学中分离出来。沉积学研究的核心之一是基于将今论古的思想根据沉积物特征推断沉积环境,地质学家在地壳中发现了广泛分布的砂岩和黄土,从而将风力作用视为一种地质过程来认识。19世纪后期,德国的一批地质学家首先认识到风成过程的重要性。现代风沙沉积过程是联系风沙沉积学特征与沉积环境纽带,沙丘地貌具有特殊的沉积物组成和沉积构造特征,被认为是风沙沉积过程的信息载体,所以从现代风沙沉积过程研究逐渐发展出风沙地貌学。风沙物理学先驱最初对沙丘地貌的兴趣即在于掌握风沙沉积特征,以便选择最合适线路利于汽车在沙漠中的顺利通行[14]。出于对风沙沉积环境的简单理解,起初的风沙地貌研究主要关注沙丘地貌的形成与风的关系,这一研究思路主导风沙地貌研究长达半个多世纪,可以称之为风沙地貌的经典研究。必须承认,风沙地貌学的发展是缓慢的,面对全球多个茫茫沙海和复杂多样的风沙地貌类型,截止目前的研究工作仅限于为数不多的类型和单个地貌形态,且处于多种假说状态,被广为接受的理论寥寥无几。围绕单个沙丘的地貌学研究经历了以下几个发展阶段。

2.1 猜测性描述

关于沙丘地貌与风的关系在相当长时期处于猜测性描述,这些猜测性描述具有深远的影响,有的被后来的研究证实,有的则被否定。以《The Physics of Blown Sand and Desert Dunes》[15]为代表的研究被视为风沙地貌学的开创性工作,虽然在气流(特别是风速廓线)、风沙颗粒运动形式以及输沙率等方面的观测分析被认为是奠基性的研究工作,但对沙波纹和沙丘等沙丘地貌的讨论都是猜测性和描述性的,没有观测和实验研究的支持。曾猜测沙波纹的波长与跃移颗粒的轨迹长度一致,所以是跃移颗粒的冲击作用形成的,尽管后来发现的空气动力沙波纹、巨型沙波纹乃至砾浪与跃移颗粒冲击作用无关[16],但冲击学说在风沙地貌学中一直占有重要地位。关于新月型沙丘形成于单一风向风况和赛夫(seif)沙丘发育于双向风风况的猜测被后来的研究证实,但关于线形沙丘的另一种猜测,即线性沙丘是由热力作用产生的滚动涡旋形成的[17],被30年后的野外观测和测量证明是错误的[18],但该猜测性描述曾被广为辗转传抄。同时期,另一个影响深远的猜测是关于沙丘形态与风况的关系,前苏联风沙地貌学家Fedorovich[19]将沙丘分为信风型、季风—弱风型以及对流和干扰型。截止目前10余个代表性沙丘分类系统虽然有更多沙丘类型的影像资料和所在区域的气象资料,但仍未摆脱猜测的性质。《A Study of Global Sand Seas》基于输沙势和起沙风向变率提出了最有影响的沙丘形态—动力分类系统,但也被证明是过度的简化[20]。在缺乏过程和机理的深入研究条件下,猜测是必然的选择。

2.2 观测研究

风沙地貌观测研究启蒙于地貌学乃至地理学和地质学的计量革命,是摆脱猜测性描述的重要跨越。20世纪50年代以流水地貌研究为代表的地貌学计量革命,开始关注以小流域为代表的小尺度过程,于70年代波及风沙地貌研究,以单个沙丘为代表的小尺度野外观测为代表,甚至成为其后的主流研究。以风力作用产生风沙蚀积,进而产生风沙地貌形态为逻辑基础,观测内容主要针对风和沙。随着风和沙观测技术的发展和基于观测积累的认识提升,观测研究经历了以下发展过程。

2.2.1 气流与输沙率观测

最早的气流观测是很简单的,主要用杯状风速计观测单一高度上的风速,通过沙波纹的走向、示踪小纸旗以及气象探测气球和风筝来观测风向,输沙率或输沙通量则用简易集沙仪来测量,如Bagnold式集沙仪和中国广泛使用的阶状集沙仪。早期的气流与输沙率观测提供了一些深化沙丘形成认识的基本资料,例如Livingstone[20]和Tsoar[21]针对2个截然不同的线形沙丘观测表明,线形沙丘形成于双风向风况,关于其形成的Bagnold滚动涡旋假设是不成立的。由于计算机和数据采集储存技术的快速发展,20世纪90年代以来,关于沙丘气流和输沙率的观测研究日趋精细。同时,热线风速仪、激光测速仪和超声波风速仪等测风技术应用于气流测量,声学颗粒计数器(Saltiphone)、压电石英晶体传感器(Sensit)被用以记录风沙流中跃移颗粒的数量。这些先进的观测技术为多点同步监测和测量提供了方便,以揭示气流场和风沙蚀积的时空变化,启发沙丘形成过程与机理的思考。

2.2.2 气流与形态互馈观测

对沙丘气流场时空变化观测得到重要启示:沙丘动态变化并非是对区域风场的简单响应,而是沙丘形态与气流的复杂相互作用,即沙丘不仅响应风况变化,而且会形成自身的次生气流,即二次流。二次流与沙丘相互作用,在沙丘动态变化和发育过程中具有重要作用[22]。20世纪80年代和90年代的许多研究聚焦于气流场结构、风沙输移和沙丘地貌变化的相互关系与互馈,并企图认识这些动态参数间的平衡关系,进而阐释所谓的“平衡沙丘形态”(Equilibrium dune form)或“平衡态沙丘”。Wilson[23]曾指出,沙丘是风与床面相互作用的产物,当相互作用达到动态平衡时,即出现形态相对稳定的“平衡态沙丘”。在许多沙漠中,沙丘地貌的形态在相当长的时间内保持稳定,即“平衡态沙丘”确实存在,但对其研究目前仍停留在概念上。

2.2.3 摩阻风速观测

技术的进步使沙丘观测更为精致,观测研究的需要也驱动了观测技术的研发。20世纪90年代以来,沙丘观测研究方面的重要进展是认识到单一高度上的风速测量不足以揭示沙丘上的气流场特征,因为输沙率是由剪切力决定的。在以Bagnold工作为代表的早期研究中,面对剪切力测量的困难,试图建立输沙率与风速的关系,但这种简化在理论和实践方面都有严重的局限性。解决该局限性的办法是通过测量不同高度上的风速,建立风速廓线,由剪切速度(摩阻风速)的计算得到剪切力。所以,摩阻风速的观测代表沙丘观测研究的重要进步,因为大量的实验与观测表明,输沙率与摩阻风速的三次方有良好的关系,能够更好地表征沙丘的蚀积规律。

沙丘观测研究的发展对摩阻风速的观测要求更高。当气流沿沙丘迎风坡运动至丘顶时,不同高度气流的加速不同,风速廓线逐渐偏离对数—线性关系,使摩阻风速的计算不够准确。风洞实验表明,迎风坡气流加速还产生向丘顶方向较强的贴地层剪切力梯度。所以,输沙率的准确确定需要特别贴近地表(<10 cm)的摩阻风速测量。由于风沙运动,如风沙流和床面微形态的影响,沙丘贴地层摩阻风速的测量是相当困难的,甚至成为沙丘观测研究的瓶颈。

2.2.4 瞬时风速与湍流观测

受20世纪80~90年代河流泥沙输移研究的启发,研究者们认识到湍流在风沙输移乃至沙丘形成中的作用,尽管落后于河流泥沙研究,但沙丘观测研究开始从气流的平均参数转向高频率的瞬时风速观测,以期了解气流的湍流特征。然而,沙丘的湍流观测研究更具有挑战性,因为气流的浮力比水流小几个量级,其垂直方向上的运动在颗粒起动和风沙流运移过程中的作用是很小的[24]。再者,在高速运动的风沙流中测量微小尺度的气流运动的困难,使湍流观测研究进展缓慢,目前的野外观测仅有极少的成功案例。但沙丘地貌研究者已观察到越来越多的湍流现象,如“沙蛇”(sand snakes)、“沙飘带”(sand streamers)和“跃移脉动”(saltation pulses)等[25],而且已有的观测研究使研究者们强烈地意识到湍流观测的重要性。

风沙地貌的观测研究要求越来越高,难度越来越大,以至于在风沙地貌学界弥漫了一种不可测量的思想。近10多年来,沙丘观测研究大幅减少,原因之一是受不可观测思想的影响。其次,单个沙丘观测研究被认为是沙丘系统的过度简化,忽略了不同沙丘之间的相互作用,其研究的意义越来越不被看好,主要原因是对单个沙丘观测研究在方法论方面的质疑。这种基于还原论的研究方法,试图通过风沙颗粒运动、风沙流运动来理解沙丘的形成,而风沙运动和风沙地貌的形成过程均被认为是高度非线性的。所以,研究方法的探索是风沙地貌研究永恒的课题。

2.3 数值模拟

随着计算机技术的发展,数值模拟方法在观测研究的基础上发展了起来,尤其近30年来取得了快速的发展,主要集中在沙丘周围流场结构与沙丘形成演变过程模拟。沙丘周围流场模拟主要有3种理论模型:J-H低矮沙丘边界层理论模型[26],计算流体动力学(Computation Fluid Dynamics,CFD)模型[27]及大涡瞬时模型[28]。关于沙丘周围气流场结构,研究者们已达成共识:迎风坡气流从沙丘迎风坡角到丘顶被压缩,流速逐渐增大;沙丘背风侧气流发生分离、扩散形成二次流。

沙丘形成演变数值模型主要分为两大类:连续模型和离散模型。连续模型主要是基于连续介质理论的观点,将来流气流和近地层风沙流分别处理为稳定不可压的边界层流体和类流体,建立沉积物连续方程、输沙量与沙丘形状之间的方程,然后进行相应微分方程的求解,以期获得沙丘形成演变规律。这一方面代表性的研究工作主要有Andreotti等[29]建立的二维模型,以及Herson[30]在二维模型基础上发展起来的三维连续模型。连续数值模型物理意义明确,可以很好地再现沙丘之间的碰撞行为、吞噬行为及孤波行为,但该模型难以推广到对整个沙丘场形成和演变过程的模拟。离散模型克服了连续模型的缺点,能够实时再现整个沙丘场的形成发育过程,很好地模拟整个沙丘场格局以及不同尺度沙丘之间的相互作用,而且可以研究沙丘上次一级沙床动力学形态特征,以及沙丘缺陷在沙丘形成演变过程中的作用。目前的离散模型主要有元胞自动机动力学模型和耦合尺度模型。Werner[31]采用元胞自动机方法再现出与自然界实际沙丘十分相似的沙丘形态。Nishimori 等[32]研究了来流风场的风向、沙床厚度以及植被对沙丘形态的影响。Narteau等[33]发展了沙粒传输元胞自动机模型和栅格气体元胞自动机模型相互耦合的三维元胞自动机模型。郑晓静等[34]根据沙丘形成演变的多时空尺度理论,从模拟单颗沙粒运动出发到模拟沙丘场的形成与发展,提出了耦合尺度模型。目前沙丘动力学数值模型模拟结果虽然能达到近乎完美的“形似”,但模拟的时空尺度不能很好代表野外沙丘地貌发育的真实尺度,成为限制风沙地貌学数值模型发展的瓶颈。

3 风沙地貌学的现代研究:关注地球系统

随着经典风沙地貌学研究的进展,风沙地貌学家意识到风沙地貌的形成并非是风与沙作用的简单产物。风沙作用过程受许多其他因素的影响,即风沙地貌不是孤立地存在,对其认识及研究应着眼于沙丘之外更广泛的外部环境与条件,这正是地球系统科学所倡导的思想。所以,将关注地球系统的风沙地貌研究称作现代风沙地貌研究,其兴起具有深厚的地球科学发展背景。

地球系统思想的出现乃至地球系统科学的诞生,是近30多年来地球科学发展的重要标志。19世纪初期以来建立的近代地球科学,在以圈层为对象的研究方面,如研究大气圈的气象学、研究岩石圈的地质学、研究水圈的水文学、研究土壤圈的土壤学等,取得了长足的进展,为认识地球各个圈层提供了重要的细节。但在经过100多年的研究之后,人们认识到各种自然过程并不仅仅局限于地球各个圈层内部,而且也发生在各圈层之间;地球的各个圈层之间是相互联系的,每个圈层在接受其他圈层影响的同时,也对其他圈层发生作用,各个圈层之间以一定的方式相互作用。因此,用系统、多要素相互联系、相互作用的观点去研究和认识地球,越来越为有识之士所倡导,地球系统科学应运而生。20世纪80年代中期,以美国地球系统科学委员会(Earth System Science Committee)出版的《Earth System Science》[35]一书为标志的“地球系统科学”思想和概念被明确提出。

风沙地貌系统受其他系统的影响,同时也对其他系统产生重要作用,如组成风沙地貌的沉积物是岩石风化产生的碎屑物质,经重力、流水、冰川等作用搬运和堆积形成;风沙地貌过程受地表覆盖和表层水分状况的影响,进而影响风沙地貌的形成与发育。气候变化通过作用于各种风沙地貌的影响因素而影响风沙地貌系统。风沙地貌系统通过风沙地貌过程以及各种风沙地貌构成的特殊下垫面影响其他系统乃至整个地球系统,如产生的沙尘影响地气相互作用系统和生物地球化学循环过程,风成沉积物的导热和导水特性影响地表辐射、水分循环和水文过程[36]。所以,风沙地貌系统的影响因素及其产生的影响涉及地球各个圈层,风沙地貌是一种跨圈层的现象,需要在现代地球系统科学思想下进行研究[37]

3.1 风沙地貌研究中地球系统科学思想的形成

几乎在地球系统科学提出的同时,风沙地貌研究已萌发了地球系统科学思想,体现在2个方面。

3.1.1 沙漠化与风沙地貌的关系

20世纪70年代,土地沙漠化成为地理学重要研究方向,虽然土地沙漠化是以风沙活动为特征的土地退化过程,但风沙地貌是重要的指征,用以判断沙漠化的类型与程度。地表风沙活动及其所形成的风沙地貌乃是沙漠化土地地表形态的最基本特征,阐明地表风沙活动的发生发展规律是沙漠化物理过程的核心[38]。根据风沙地貌类型,将沙漠化土地划分为以风蚀为主的沙漠化土地(粗化或砾质地表)和以堆积为主的沙漠化土地(沙丘活化或前移)。在干旱区沙漠边缘及半干旱地区沙地,依据流动沙丘所占的比例来确定沙漠化的程度;在草原农垦沙漠化地区,根据灌丛沙丘所占的比例来确定沙漠化的程度[39]。风沙地貌之所以能够作为沙漠化的指征,就是在于其与其他地理要素之间的关系和在沙漠化土地系统中的重要作用。许多地区的沙漠化首先表现为植被退化,退化达到一定程度时,出现风沙活动,风沙活动进一步恶化植被生存环境,导致沙漠化的发生和风沙地貌的出现。在干旱区内陆河流域,水环境恶化导致地下水位下降,植被退化,形成沙漠化。

3.1.2 古沙丘(古风成沙)的发现

风沙地貌被证明是地球环境演化的重要组成部分,其在地球系统中的作用可以追溯至久远的地质历史时期。地球已有46亿年的演化历史,风沙地貌至少在中生代就已出现[40]。西欧北海在早二叠纪就有广泛的沙丘发育,类似现在的塔克拉玛干沙漠[41]。有确凿的证据表明,中国在白垩纪甚至侏罗纪就有沙漠和风沙地貌出现[42],且沙漠的范围甚至超过现在。所不同的是,在早第三纪及其之前,中国大部分地区处于副热带高压的控制下,形成红色沙漠,即炎热干旱的亚热带内陆信风沙漠,不同于现在处于温带内陆地区的黄色沙漠。全球广泛分布的黄土表明,风沙地貌过程在第四纪是相当活跃的。全球5%的陆地面积被原生风成黄土覆盖,仅中国黄土高原的黄土堆积面积就达64×104 km2,最厚超过400 m[43],被认为是240万年以来,其西北上风向地区风沙活动的产物,且风沙活动的强度远超现代。黄土高原的侵蚀形成黄河下游的堆积,所以风沙地貌在中国地理环境形成中的作用是不言而喻的。因为风沙地貌的形成与地球系统中的其他要素具有相关性,所以古风成沙与黄土被广泛地作为恢复古环境的可靠代用指标[44]。因此,关注地球系统的风沙地貌学现代研究使关于风沙地貌的认识更全面,也使风沙研究的意义更突出,代表风沙地貌学的重要生长点。

3.2 风沙地貌研究中地球系统科学思想的发展

3.2.1 风沙地貌对地理环境的指示意义

既然风沙地貌是地球系统的组成部分,或区域地理环境的重要要素,那么风沙地貌必然对地理环境具有指示意义。首先,根据风沙地貌类型与风况的对应关系可以推测风况特征,如新月形沙丘发育于单风向风况中,线形沙丘形成于双风向风况中,星状沙丘则发育于多风向的复杂风况中。在新月形或横向沙丘与线形沙丘共存的情况下,横向沙丘则代表比线形沙丘具有更充分的沙源供应。风沙地貌的走向对风向具有较好的指示意义,在世界主要雅丹地貌分布区,雅丹地貌走向与盛行风向一致。其次,在缺乏气象观测的情况下,根据沙丘地貌类型及排列方向以及移动方向能够推测地面风场。如基于航摄影像推测塔克拉玛干沙漠腹地大气环流基本轮廓和沙丘移动性质[45],以及撒哈拉沙漠的大气环流形势[46]。根据沙波纹排列方向和沙丘类型与走向甚至可以推测火星部分地区的地面风场[47]。灌丛沙丘的形成与发育除了与风况、沙源和植被有关外,还受地貌条件、降水和地下水等因素的影响,包含了丰富的区域环境变化信息,被用于研究不同区域的环境变化[48]

3.2.2 风沙地貌对气候变化的影响与响应

风沙地貌在气候变化研究中的意义在近年来才受到关注,主要因为风沙地貌是沙漠化的重要指征,反映陆地生态系统对气候变化的响应,是减缓气候变化影响的重要方面。实际上,风沙地貌属于一种气候地貌,必然受气候变化的影响。然而,目前气候变化研究对风沙地貌意义的认识还处于萌芽阶段,随着研究的深入,将不断加深认知。国际社会自1972年开始关注气候变化,1988年联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)成立,为决策者提供气候变化的科学评估,已相继5次完成了评估报告,只有在2014年发布的《第五次评估报告(AR5)》[49]和2018年发布的《全球变暖1.5 ℃特别报告》[50]中才开始涉及沙漠化问题,内容相当有限,仅认识到风沙地貌过程是产生大气尘的重要因素,气候变化影响大气尘含量。2019年发布的特别报告《气候变化与土地》[51],从现状与趋势、对气候变化的反馈、对自然和社会经济系统的影响以及适应对策等多个方面关注沙漠化问题,对风沙地貌的关注更具体,如注意到沙丘活化将形成沙尘暴,非洲大陆是最重要的沙尘源区,全球50%的大气尘产自撒哈拉沙漠,全球25%的沙尘释放与人为因素有关,沙尘在改变大气能量平衡方面具有重要作用。不同类型的风沙地貌具有不同反照率,会对区域气候产生不同的影响。风沙地貌过程中的沙尘释放量与释放源区的确定是风沙地貌研究对气候变化研究贡献的重要方面,是减缓气候变化影响必须了解的,对其进行深入研究自然要涉及机理。所以,沙尘释放过程与机理研究是风沙地貌学的一个重要生长点。

3.2.3 风沙地貌的生态地貌学研究

沙丘地表沉积物的分选过程,沙丘沉积物与周围沉积物的差异及其相对高差使沙丘形成与其周围不同的土壤和水文特征,进而营造不同的植被生存环境,共同构成沙丘生态系统,影响沙丘的发育过程。沙丘作为独特的生态系统以半干旱地区海岸沙丘,干旱区荒漠草原和沙漠绿洲过渡带的灌丛沙丘表现最为典型。灌丛沙丘覆盖约5%的全球陆地面积,其发育过程既是沙丘形态变化过程,也是灌丛生态系统演化过程,其研究具有地貌学和生态学两方面意义。首先,风、沉积物和地表覆盖被认为是控制沙丘地貌的三大要素,其中灌丛在各类地表覆盖中最具代表性。其次,灌丛沙丘的发育过程是荒漠生态系统中生物和环境协同发展的过程,揽括了植物群落演替及生态系统演化,也是生态学关注的问题[52]。再次,灌丛沙丘的发育受风况、沙源、植被、地貌、降水和地下水等因素的影响,是生态环境及其演化的信息载体,蕴含了区域地理演化的历史。灌丛沙丘地貌的形成与发育过程包括3个相互联系的子过程:植物出现至灌丛植物群聚生长的过程,即灌丛的形成过程;灌丛对近地层气流的影响,进而影响风沙蚀积,形成灌丛沙丘,即物理地貌学过程;灌丛沙丘的出现形成了以风沙堆积体为核心的沙丘生态系统,具有其独特的生态学特征,影响灌丛的生长,进而影响灌丛沙丘的发育,称之为生态地貌学过程[53]。所以,单纯的物理地貌学过程研究无法全面解释理解灌丛沙丘的发育的整个过程。风沙地貌的生态地貌学研究代表地球系统科学思想在风沙地貌学中的发展。

4 风沙地貌的未来研究:兼顾地外行星

2020年是火星探测器的发射窗口,将有4个国家或组织的火星探测器升空,即中国的火星探测器、美国的火星—2020漫游车、欧俄的火星生物学—2020探测器以及阿联酋的希望号火星探测器,这标志着以地外行星为主要目标的深空探测将迎来新的高潮。中国的火星探测将通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视,对火星开展全球性、综合性的环绕探测,并对局部地区开展巡视探测,这在世界火星探测史上是前所未有的。包括风沙地貌在内的行星地学研究是地球科学未来发展的重要趋势之一。地球海底扩张与板块构造理论的提出,以及对月球和其他太阳系行星及其卫星的探测,被认为是20世纪60年代世界地学界发生的两件大事[54]。著名地质学家Head在1999年曾断言,“在1960s以前以地球为中心,尤其是以某一特定区域为中心的地质研究,就如同哥白尼之前有关太阳系的地心说一样狭隘。现在我们已拥有大量空间探测数据,可以对包括所有行星在内的太阳系星体进行地质研究,地球科学也只有放在太阳系这一大系统中去研究才是唯一正确的方法”[55]。事实表明,随着深空探测热潮的掀起,地外星球风沙地貌正在成为国际风沙地貌学和比较行星地质学的前沿探索领域,参与的研究者和取得的研究成果愈来愈多。

4.1 行星风沙地貌的探索历程

目前已确认在太阳系的火星、金星、土卫六和冥王星有风沙地貌发育,在海卫一和丘流莫夫—格拉西缅科彗星上也可能存在[56],但地外星球风沙地貌研究仅限于火星、金星和土卫六。深空探测的总体地球科学目标包括:星球的现在状态;星球的过去状态;不同星球的现在和过去的状态是如何对应的。理解现在状态需要确定地表岩石的组成、分布和年龄,了解活跃的地貌过程和内部特征。理解过去状态需要认识地质历史,将今论古是首先遵循的思想。在目前尚未在地外星球上发现生命的情况下,地貌过程是所能研究的主要地表过程,而在缺乏流水作用的星球上,风沙地貌过程是主要的地貌过程,也是是基于深空探测研究的重要内容。在整个人类历史中,人类一直试图以各种方式提出一个基本的问题:只有我们独自存在于宇宙中吗?这也是深空探测的关键动机之一。探索现在和过去的生命,包括生命起源的条件和有利于生物过程发生环境的研究。所以,地外星球的生命探索收窄至火星、金星、木卫二、土卫二和土卫六等星球上。

4.1.1 火星

火星是被探测最多的太阳系行星,最早被望远镜观察,19世纪意大利天文学家G. V. Schiaparelli观察到的水道(canali)被误传为运河(canals),引起对火星运河的狂热研究。20世纪50年代开始具有地球科学意义的观察,Dean McLaughlin于1954年根据火星表面变化猜测火星大范围的沙尘暴和火山喷发,被70年代以后的探测证实。1960年前苏联提出火星探测计划,1965—1970年火星探测器(水手4,6,7号,Mariner 4, 6, 7)成功飞跃火星,1972—1973年水手9号(Mariner 9)绕火星飞行,火星轨道器探测提供了有关火星全球沙尘暴的信息,提供了火星风沙地貌图象,包括沙丘、雅丹、风蚀坑和风蚀槽谷等;同时表明,相当大的火星表面被风成堆积物所覆盖,类似地球上的黄土。1976—1982年海盗飞船(海盗1,2和Viking 1, 2)的火星轨道器和着陆器探测,使科学家们更加深入地认识火星上的风成地貌现象,并可以根据风沙地貌来推测火星上的风向。

1997年以来,火星车巡视探测,如1996年发射的火星探路者(Mars Pathfinder)、2003年发射的火星探测漫游者—勇气号火星车(Mars Exploration Rover-Spirit)和火星探测漫游者—机遇号火星车(Mars Exploration Rover-Opportunity)以及2011年发射的火星科学实验室—好奇号(Mars Science Laboratory-Curiosity)提供了清晰的火星照片和其他数据。近20多年,火星轨道器和着陆器探测的仪器设备更为先进,为风沙地貌研究提供了高分辨率的影像和高精度的数据。如1996年发射的火星全球勘测者(Mars Global Surveyor, MGS)搭载火星轨道摄影仪(Mars Orbiter Camera, MOC)、热辐射光谱仪(Thermal Emission Spectrometer, TES)和火星轨道器激光测高仪(Mars Orbiter Laser Altimeter, MOLA),能够对火星表面进行高分辨率高空成像,分辨率达到1.5 m,为研究火星地形和重力场、天气和气候、表面和大气成分、水和尘埃提供了高分辨率影像和高精度数据。还有2001年发射的火星奥德赛(Mars Odyssey)搭载热辐射成像系统(Thermal Emission Imaging System, THEMIS),2003年发射的火星快车(Mars Express Orbiter)搭载高分辨率立体相机(High Resolution Stereo Camera, HRSC)和近红外光谱仪(OMEGA),2005年发射的火星勘测轨道器(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO)搭载高分辨率成像科学实验(High Resolution Imaging Science, HiRISE)和小型侦察成像光谱仪(Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars, CRISM)。

4.1.2 金星

金星是除了火星外,被探测第二多的太阳系行星,在17世纪就被望远镜观察到,19世纪80年代,俄罗斯天文学家M. Lomonosov曾推断金星具有大气。金星是距地球最近的太阳系行星,所以1961年以来成功的金星探测超过15次,有专门针对金星的探测,也有探测其他星球途中的“顺访”。然而,金星探测成果远不如火星,其探测主要集中在大气科学方面,具有地学意义的探测则更少,因为金星浓密的大气和很高的表面温度增加了探测难度。成功执行探测任务的包括前苏联的金星号(Venera)系列探测器和美国的几次探测。

1972年到达金星的金星8号(Venera 8)和1975年到达的金星9号(Venera 9)着陆器首次发回了金星表面照片。1978年NASA的金星先锋号(Pioneer Venus)飞船环绕金星,并根据雷达测高仪的测量结果绘制金星全球地形图。1983年环绕金星的金星15和16号(Venera 15,16)首次提供了金星上的不同类型地貌,如火山地貌、陨石坑和构造地貌的信息。1985年,威佳1号和威佳2号(Vega 1, 2)飞船在飞往与哈雷彗星汇合的途中飞越金星,释放气球探测金星大气,获得了金星风场方面的信息。1990年NASA的麦哲伦号(Magellan)飞船环绕金星,拍摄的影像覆盖98%的金星表面,包括可用于详细地形和地层分析的立体影像,是目前研究金星地貌的主要信息源。2006年欧洲空间局的金星快车(Venus Express)搭载的可见红外热成像光谱仪(Visible Infrared Thermal Imaging Spectrometer, VIRTIS)获得金星一些区域的低分辨率影像。

4.1.3 土卫六

土卫六是最早发现的土星卫星,是目前已发现的62个土星卫星中最大的,直径5 150 km。遥远的距离使人类对土星的探测远不如火星和金星多。1979年先锋11号(Pioneer 11)飞越土星系统,1980年旅行者1号(Voyager 1)外太阳系空间探测器飞越土星系统,1981年旅行者2号(Voyager 2)飞越土星系统,2004年卡西尼更斯号(Cassini-Huygens)进入土星轨道。其中旅行者号探测器探测了土卫六的大气,只有卡西尼更斯号探测器探测到了土卫六的表面,该探测器包括两部分,即NASA的卡西尼号土星轨道器于2004年进入土星轨道和ESA的惠更斯号土卫六着陆器于2005年着陆土卫六。卡西尼号拍摄的影像以及惠更斯号的探测提供的关于土卫六地貌、地表组成及大气方面的信息是目前研究土卫六主要的信息源。

4.2 行星风沙地貌的主要研究成就

由于缺乏野外现场观测,行星风沙地貌研究进展缓慢,但成就仍然令人鼓舞,概括为以下几个方面。

4.2.1 风沙地貌的发育条件

表1列出了与风沙地貌过程有关的星体参数,其中大气密度、重力加速度和温度是重要的影响因素。

表1   与风沙地貌有关的星体参数[10]

Table 1  Astral parameters related to aeolian geomorphology[10]

项目金星地球火星土卫六
相对质量/(地球=1)0.81510.1080.02
绝对质量/kg48.7×102359.8×10236.43×10231.34×1023
相对密度/(地球=1)0.95310.7170.344
重力加速度/(m/s28.889.813.731.36
直径/km12 10412 7566 7875 140
表面积/km24.6×1085.1×1081.4×1088.3×107
主要大气组分CO2N2和O2CO2N2
表面大气压/Pa9×1061057.5×102≈1.6×105
表面平均温度/℃48022-23-200
表面液态水
轨道半径/AU0.7214.529.53
轨道周期/a0.621.001.8829.6(土星值)
轨道偏心率0.0070.0170.0930.056(土星值)
轨道倾角/(°)<323.525.1-
太阳常数/[erg/(cm2·s)]2.61×1061.37×1060.59×1060.15×105

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(1)火星。风是风沙地貌发育的首要条件,地外星球风沙地貌研究首先是确认大气特征和风的存在。目前对火星大气的了解是最深入的,将其特征概括为干、冷和稀薄。天文学家在18世纪就观测到了火星上的云,表明火星大气的存在。地基反射光谱的观测进一步表明,火星大气主要由CO2组成。20世纪70年代以来的火星探测详细揭示火星大气95.3%为CO2,2.7%为N2,1.6%为Ar,0.15%为O2,0.03%为H2O。火星平均大气压为7 hPa,且随CO2和H2O含量的季节性变化而变化。火星地表温度为-133~27 ℃。数次火星探测器和地基观测探测了火星大气成分、温度、同位素特征以及物理性质的分层现象,据此勾画出了火星大气层的垂直结构图。大气运动是风沙地貌研究必须关注的大气物理要素,虽然多种热源驱动了火星大气运动,但太阳辐射是大气循环最重要的驱动源。所以,关于地球的大气循环理论可以准确理解火星大气循环:在南北每个半球各具有3圈哈德莱环流,赤道附近盛行东风、中纬度盛行西风。火星大气环流可以用由地球全球环流模型(Global Climate Models, GCMs)发展而来的火星全球环流模型(Mars Global Climate Models, MGCMs)来模拟。温度的季节性和昼夜变化引起火星表面一系列季节性和昼夜变化现象。风在火星表面较为普遍,形成波及范围广的沙尘暴[3]

(2)金星。金星大气特征为热、干和浓密,以至于金星完全被云雾笼罩,使望远镜观察受挫。直至1932年才观察到金星大气中存在CO2。20世纪中期的观察表明,金星大气组成以CO2为主,占96.5%,N2占3.5%,水和水汽极其稀缺,完全没有液态水存在,由此形成金星大气的许多突出特点。金星大气压为9×106 Pa,平均地表温度为480 ℃。金星极高的大气温度被归因于“脱羁的温室效应(runaway greenhouse effect)”,即虽然金星浓密的大气阻止绝大部分太阳辐射到达地表,但巨量的温室气体CO2(总量相当于地球碳酸盐的总量)使温度升高,高温使地表物质不能以液体状态存在,被蒸发进入大气,使大气的温室效应加剧,温度持续升高。金星温度的另一个特点是没有明显的纬向和经向变化。金星大气循环极为缓慢,0.5~2.0 m/s,足以产生风沙运动,因为金星大气密度很大。风洞实验表明,金星上粒径为75 μm的颗粒起动风速仅为0.28 m/s,表明金星表面大量物质都能够被风力启动[57],着陆器拍摄到的着陆点附近的全景图像及着陆时溅起的沙尘,均表明金星表面存在着一定量的细颗粒物质[58]

(3)土卫六。土卫六大气的特点为冷、湿、黑和浓密。大气为浓密的黄霾,偶尔有云,是太阳系中唯一拥有浓密大气的卫星,平均大气压为1.6×105 Pa,比地球大气压大了约60%,由于距太阳远,接收到的太阳辐射少,表面平均气温仅为-200 ℃。但由于重力小,大气层厚度比地球大气层厚得多,可达600 km。大气的成分主要成分为N2,约占95%,其次为甲烷,在近表面占4%~8%,有机成分多,液态碳氢化合物以乙烷霾和甲烷雨的形式形成类似地球上的水循环。尽管土卫六大气含有较多的温室气体,但温室效应并不能改变寒冷的大气。探测到的表面风速为数米每秒,足以产生风沙运动。近表面大气的垂直运动强烈,形成旋风,在南北两极都曾探测到,与季节性冷却有关,相当于地球上的对流风暴[2]

4.2.2 风沙地貌的发现与研究

已探测的太阳系星球普遍有构造、火山和陨击地貌,有些星球也有流水地貌、风沙地貌和冰缘地貌等。但目前仍在活跃的地貌过程比较少,例如,已探测到火星、金星和土卫六有多种地貌类型,但风成过程是当前的主要表面过程。除了对火星风沙地貌有较多的研究外,关于其他两个星球研究很少,主要是由于探测困难。

(1)火星。有覆盖全球的高分辨率影像、部分地区的表面探测资料和影像,火星风沙地貌从形态、分布、形成过程、移动和风沙沉积物进行了全面的研究。火星有风积地貌与风蚀地貌各约106 km2 [6,59],几乎拥有地球上常见的各种简单风沙地貌类型。风积地貌形态按照规模大小分别有沙波纹和各种类型的沙丘。沙丘以横向沙丘(包括单个新月形沙丘、新月形沙链和横向沙垄)为主,其他类型的沙丘,如线形沙丘、星状沙丘和盾状沙丘则比较少,不存在抛物线形沙丘等与植被有关的沙丘类型。风蚀地貌形态主要有雅丹地貌和风棱石。

火星沙丘比较稳定,活动性小,大多数没有移动或移动速率很小,目前仅有个别的沙丘移动报道,如10~20 mm/火星年(5~10 mm/a);沙波纹在5个火星日内仅前移20 mm[60,61]。火星稳定的风沙地貌可能与其风沙相互作用的特点有关,通过对地球上沙波纹的研究并将其推广到火星上,表明在现有火星大气状态下,一个0.25 m高的沙波纹移动10 mm,需要成百甚至上千个地球年[62]

火星风成沙主要是玄武岩质颗粒(至少是在着陆点附近),而在北极沙漠的部分地区则是石膏质颗粒,粒度组成物质较地球风成沙粗,主要是由大于210 μm,平均粒径可能大于430 μm的中沙和粗沙组成[63]。需要指出的是:关于火星风成沙粒度是通过间接方法的推断,并非直接测量的结果,如根据热惯量数据推断的火星沙丘的平均粒径介于(500±100) μm之间,即火星沙丘主要由中沙和粗沙组成。根据风沙物理学知识计算的火星上由悬移向跃移转变的粒径为210 μm,即小于210 μm的沙物质均处于悬移状态。

(2)金星。金星表面的地貌以火山作用和构造运动等内营力形成的地貌类型为主,然而却没有明确的证据表明,这两种地貌营力现在仍然活跃[64]。地貌外营力作用,如陨石撞击作用、风力作用和块体运动等,虽然在塑造金星地貌演化过程中处于次要地位,但依然十分活跃[64]。由于没有液态水存在,风力作用成为塑造金星地貌形态最重要的现代外营力[65]

根据麦哲伦号返回数据的研究表明,金星上存在的风沙地貌类型主要包括沙丘和雅丹地貌[66]。目前在金星上发现2个沙丘发育区和1个雅丹地貌发育区,沙丘区总面积约为 20 000 km2,占金星总面积的0.004%,其中一个区域被命名为Aglaonice 沙丘区(25°S,340°E),面积1 290 km2,可见数百米宽、大致南北走向的横向沙丘。另一个区域为Fortuna-Meshakenet 沙丘区(67°N,90°E),面积17 120 km2。金星上发现的沙丘很少,最普遍的风沙地貌为风条(wind streaks),根据麦哲伦号探测器发回的影像,已绘制出6 000多个风条。风条呈现多种形态,绝大多数在障碍物的下风向,所以能够指示风向。仅在Mead 陨击坑东南发现约40 000 km2的雅丹地貌。金星号着陆器在金星表面发现了镶嵌在细颗粒沉积物中磨圆度较好的砾石,表明磨蚀作用的存在,但并未见地球上常见的风棱石。金星上沙丘少见而且没有风棱石发育是风沙地貌的突出特征,是破解风沙地貌之谜的重要线索。总之,目前对金星风沙地貌的认识还比较笼统[66]

(3)土卫六。关于土卫六的研究则更少,但沙丘是目前最让人惊喜的发现[67]。土卫六表面的突出特征是有液体的存在,所以现代地貌过程有流水地貌过程,尽管所谓的“水”是液态甲烷,有“甲烷河流”和“甲烷湖泊”[2]。土卫六的表面沉积物(颗粒)并非像地球、火星和金星上的岩石碎屑,而主要由冰组成,但冰卵体圆滑的外表表明流体侵蚀的存在,其中包括风蚀,表面甲烷径流形成树枝状沟道和沙丘。卡西尼号图形轨道器发回的影像表明,在土卫六赤道南北纬30°范围内,沙丘广泛发育,几乎都是线形沙丘,1~2 km宽,间距1~4 km,高度可达150 m,长度超过100 km,与地球上的沙丘规模相似,风沙颗粒主要有有机物和水冰组成[67]

4.3 未来研究展望

自水手9号火星轨道探测器探测到火星沙尘暴及表面风沙地貌以来,已确认火星、金星和土卫六上有风沙地貌发育,并基于探测资料开展了研究,发表了系列成果,但这些成果大多是初步推测。未来深空探测为行星风沙地貌学的发展提供了重要机遇,为此需要有以下几方面的战略考虑。

4.3.1 现场观测

野外观测是风沙地貌学最早最基本的研究手段,无论理论如何先进,最终必须得到实际的验证。关于地外星球风沙地貌的推测是否正确,也是需要现场情况的验证。表面风况和沉积物是风沙地貌形成与发育的两个最基本条件,但目前尚没有关于地外星球这两方面的准确资料,这是行星风沙地貌研究者迫切期盼的。在未来的探测中,需要不失时机地搭载相关仪器设备,以获取具有足够长时段的风速风向乃至湍流特征和区域风场的准确信息,以及表面沉积物成分、粒度、密度、形貌乃至来源方面的信息。目前已经发现,基于已有风沙地貌学知识和理论的不解之谜,如风沙地貌过程虽然是火星、金星和土卫六的主要现代表面过程,但风沙地貌分布区域为何如此有限、类型如此简单?并未发现类似地球上的茫茫沙海和绵延起伏的沙丘。这些地外星球风沙地貌的影响因素相当简单,没有植被、罕有水的参与,但沙丘并未呈现明显的流动性。火星沙丘地貌的分布集中在北极和南极,与地球上以热带沙漠为主体形成明显差异。这些问题都是需要依据表面观测和监测资料来回答。

4.3.2 数学模型

数学模型代表风沙地貌学发展的重大飞跃,发挥的作用越来越重要。风沙地貌过程的高度非线性使传统的基于还原论的野外观测与模拟实验、基于归纳法的区域综合研究暴露出局限性,需要整体论和演绎方法的补充。数学模型是具有演绎性质的研究方法,是在无法进行现场研究的情况下一种很好的选择。但目前流行的主要沙丘动力学模型仍然具有浓厚的还原论性质,虽然能够模拟出很好的沙丘形态,但仅是“形似”,远未达到理解机理与过程的目的,特别是还只能模拟简化的理想条件,与现实条件相差甚远。根据模拟结果,金星上普遍发育风沙地貌,火星上风沙地貌规模比地球更大[68],这些均与事实相悖。越来越多的研究表明,风沙地貌形态与格局的形成具有复杂系统行为特征,数学模型也必须寻找突破口,更重要的是与现场观测研究互补,而不是彼此独立地进行。

4.3.3 理论拓展

基于已有的风沙地貌学理论研究地外星球风沙地貌是首先必须选择的途径,但根据地外星球风沙地貌规律及其特殊性,完善和拓展已有的风沙地貌理论是重要任务。必须承认,风沙地貌学是发展缓慢的科学,目前处于多种假说并存的阶段,需要来自各方面研究的验证。例如,根据火星沙丘地貌类型与分布规律的研究,已形成风沙地貌或沙漠形成的“沙源限制型假说”,与已有的“气候控制型理论”形成对照。进一步研究发现,金星和土卫六风沙地貌的一些难解之谜也可以用“沙源限制型假说”解释。越来越多的风沙地貌现象表明,“沙源限制型假说”可以解释最近发现的地球上的一些与已有风沙地貌学理论相悖的现象,如横向沙丘与线形沙丘共存的现象,并得到数值模拟结果的支持。已有的支持风沙地貌学发展的许多理论也需要在行星风沙地貌学研究中完善和拓展,这是深空探测时代风沙地貌学研究的重要任务和深远意义。

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