影像资料包括轨道器遥感影像和地面拍摄影像，这些都是进行火星风沙地貌研究的主要信息资料，所以火星风沙地貌研究的突破性进展通常伴随影像质量的提高。20世纪70年代之前的天文望远镜提供的影像表明火星风沙活动的存在，70年代的“水手号”（Mariner）和“海盗号”（Viking）轨道器遥感影像进一步证明了火星风沙地貌的存在，90年代以来的轨道器遥感影像分辨出了大尺度风沙地貌类型，2006年以来，火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）上的高分辨率成像科学实验（High Resolution Imaging Science Experiment，HiRISE）相机更使火星表面的风沙地貌丝毫毕现，火星沙波纹进入了人们的研究视野（图1）。火星车的表面巡视，如“好奇号”（Curiosity）火星车探测的影像使沙波纹研究成为可能。近年来，研究者们不断深入的研究揭示了火星与地球风沙地貌的差异性，展示了若干火星特有的风沙地貌类型，如横向沙脊^［2］，以及沙波纹这种在地球上最普遍的风成床面形态在火星上也显示出令人困惑的特征（图2）。地球上的沙波纹波长为厘米级，而火星上除了厘米级的沙波纹之外，还有波长为米级的沙波纹，暂且被称作大沙波纹（Large Ripples，LRs），其形态和形成机制均与常见的厘米级沙波纹不同，可能蕴含着火星环境特征的重要信息。虽然被称作大沙波纹，但其空间尺度仍然很小，对其进行深入研究高度依赖于高分辨率遥感影像资料的获取，所以，目前仅有个别的研究报道，如关于盖尔陨击坑（Gale Crater）大沙波纹的报道。事实上，遥感影像显示大沙波纹在火星上普遍分布。本文遵循地貌学思路，基于现有的有限研究介绍了大沙波纹的形态及其组成物质特征，进一步推测其形成机制，最后讨论其潜在的研究意义。

对大沙波纹的认识仍然需要从形态和组成物质入手。“好奇号”（Curiosity）火星车获取的盖尔陨击坑（Gale Crater）中拜格诺沙地（Bagnold Dunefield）桅杆相机（Mastcam）的照片表明，火星大沙波纹与地球厘米级沙波纹的区别并非简单的空间尺度差异，其还具有以下突出的形态学特征：①火星高分辨率成像科学实验（HiRISE）相机的高分辨率（分辨率达0.25 m）影像显示了火星大沙波纹的存在^［4］，其走向用以反演奥林匹亚沙地（Olympia Undae）、阿拉伯高地（Arabia Terra）、子午线高原（Meridiani Planum）和火星科学实验室盖尔着陆点的沙丘表面流场特征。沙波纹脊线的移动速度被用以估算尼利环形山（Nili Patera）沙丘区的输沙风强度和沙通量。显然，大沙波纹的空间尺度较地球上常见的沙波纹尺度大，以至于能够在HiRISE高分辨率影像上显示，研究发现其波长为1~5 m，平均为1.9~2.7 m，即在米级尺度（图3）^［1，5］。然而，大沙波纹较大的尺度特征并未引起人们的注意，因为理论上火星风沙地貌的空间尺度应比地球上的大^［6］，直至分辨率更高的影像显示出更小尺度的沙波纹形态^［3］，大沙波纹的尺度特征才引起人们的关注。②大沙波纹与常见的沙波纹一样，通常叠置在沙丘上，但特别之处在于其上又叠置厘米级的沙波纹（图4），厘米级沙波纹发育在大沙波纹的迎风坡，波长为5~12 cm^［3］，类似地球上的冲击沙波纹，呈现目前尚未发现的沙波纹、大沙波纹和沙丘3级尺度风沙地貌类型并存现象，而地球沙波纹只有1种厘米级的沙波纹叠置在沙丘之上，此并存现象使研究者意识到大沙波纹可能是火星独特的风成床面形态类型。③火星大沙波纹的脊线比较蜿蜒、尖锐，横截面不对称，迎风坡与背风坡坡度差异比较大，背风坡坡度接近休止角，产生滑落甚至滑塌，火星机械臂透镜成像仪（Mars Hand Lens Imager ，MAHLI）照片显示大沙波纹的背风坡具有新鲜的滑落或滑塌面（图5），表明大沙波纹不同于普通沙波纹的形成机制。而地球沙波纹一般脊线较直，截面较和缓。④大沙波纹具有沙丘的空间格局特征，其脊线具有不同走向，从而构成网格状格局（图6），是火星大沙波纹最普遍的空间格局，如拜格诺沙地的大沙波纹具有41°和322°两个走向，在不同地段会呈现不同的主导走向。⑤大沙波纹移动明显，而且部分显示线形沙丘的运动特征（图7）。拜格诺沙地沙丘上的大沙波纹每个地球年的移动量达1.7 m，且呈现为沙脊的延伸，并非常见的沙波纹的侧向移动。⑥大沙波纹与风况的关系类似于沙丘，即它们的排列方向趋向于与最大输沙势方向垂直^［7］。与普通沙波纹不同的是，普通沙波纹反映短时间尺度或瞬时风向，而大沙波纹的走向能够反映更长时段的复杂风况。如拜格诺沙地的大沙波纹显示单一风向风况和双向风风况（图8），表明大沙波纹的形成机制不同于普通沙波纹。已经发现的埋藏或古大沙波纹（图9）被认为是历史时期风况特征的记录者^［3］，在火星北极的黑暗色基底地层中甚至包含米级尺度的交错层理^［8］，显示出大沙波纹研究在揭示火星环境及其演化历史中的潜在价值。

火星大沙波纹的独特性引发了研究者们关于其沉积物组成的推测，因为沉积物组成在很大程度上蕴含了形成机制的信息，如有研究者们猜测组成大沙波纹的沉积物颗粒较粗^［9］。但是，火星机械臂透镜成像仪（Mars Hand Lens Imager，MAHLI）照片显示，发育于沙丘迎风坡的大沙波纹沉积物组成为分选良好的中细沙，与叠置其上的小沙波纹的沉积物颗粒组成相同^［3］。这是仅有的关于大沙波纹沉积物组成特征的报道，显然是很片面的，全面的认识依赖于未来更广泛的探测和更深入的研究。

尽管近几年已有关于火星大沙波纹的研究报道，但对其研究范围极其有限，目前粗浅的认识尚不足以支持关于大沙波纹形成机制的研究，但形成机制是一个最能引起人们研究兴趣的科学问题。形态学特征、沉积学特征及发育环境是其形成机制研究的3个重要方面，关于火星大沙波纹形成机制目前仅能根据有限的形态学认识进行猜测，遇到的问题与横向沙脊有些类似，其形成假说主要参考横向沙脊、复合沙丘、粗沙波纹、冲击沙波纹甚至水下沙波纹。因为火星大沙波纹尺度较常见的沙波纹大，最初关于其形成机制的理解是将其与沙丘联系起来。但形态学特征表明，大沙波纹并非简单的小沙丘，其在特定区域内能够保持稳定不变的空间尺度，虽然由于颗粒粒径和风速的变化，大沙波纹的波长在沿迎风坡方向上会发生微小的变化，具有与常见沙波纹相类似的性质。而地球上间距米级尺度的小沙丘虽然比较少见，但其空间尺度沿下风向逐渐增大^［10］，从而基本上排除了以沙丘形成机制的理论解释大沙波纹形成机制的可能性。但是，Silvestro等^［1］在盖尔陨击坑（Gale Crater）发现了所谓的纵向大沙波纹，并指出其形成机制类似于纵向沙丘。另一个方面的探索是根据普通沙波纹的形成理论来理解火星大沙波纹的形成机制。当上述两方面的探索均不能给出令人满意的解释时，研究者们试图寻求其他途径。目前，关于火星大沙波纹的形成机制可归纳为3个方面的猜测，姑且称之为假说。

（1）沙丘假说。Silvestro等^［1］基于对盖尔陨击坑火星科学实验室着陆点的拜格诺沙地沙丘上大沙波纹的研究结果提出了沙丘假说。他们应用遥感影像监测了大沙波纹的演化过程，结果表明火星大沙波纹在动力学方面不同于地球上的沙波纹，其演化表现为纵向延伸，在6个地球年内几乎未发生侧向移动，类似纵向沙丘。图10为基于52个不同时期（T1、T2和T3）大沙波纹的Y-结点的监测统计结果，图中清晰地显示了大沙波纹向西南方向的纵向延伸，与基于102个大沙波纹的平均走向的统计结果一致。若干实验证明，当每个风向的变化周期小于沙波纹形态调整的时间时，在双向风作用下能够形成纵向沙波纹^［11］。火星纵向大沙波纹的存在反映了火星的双向风风况，而且每个风向的作用周期小于大沙波纹形态调整的时间，可能是火星起沙风出现的频率较少所致。也可能会出现某一方向风的作用周期较沙波纹形态调整时间长的情况，以至出现更复杂的斜向大沙波纹，更接近沙丘形成机制。该研究的重要启示是：火星大沙波纹能够记录较长时期的多风向风况，而普通沙波纹仅记录最近时期的风向。在根据大沙波纹反演近地层风场时，必须谨慎分析，因为不同于常见沙波纹，大沙波纹的走向有时不具有与风向垂直的性质。

（2）冲击假说。研究者们最早在遥感影像上发现大沙波纹的时候，其特殊性被忽视，认为其与地球上常见的沙波纹相类似，所以，关于其形成过程首先用最经典的沙波纹形成理论来解释，即与跃移颗粒的冲击作用有关。运动速度较大的“高能”跃移颗粒冲击地表，溅射起地表的“低能”颗粒，使其产生蠕移运动，因迎风坡受到的冲击作用较背风坡多，所以沿迎风坡向上的沙通量大于沿背风坡向下的通量，地表起伏因此而逐渐增大。基于这一理论的沙波纹形成机制研究已有长足的发展，特别是在数值模拟研究领域，研究者们已提出许多数学模型来解释沙波纹的形成与演化，完美地再现了沙波纹的形态，也有部分野外观测和控制实验研究^［12］。跃移颗粒的冲击作用在火星风沙运动中的作用更加重要，因为火星上很少出现大于颗粒流体起动风速的风，维持风沙运动的风速主要介于颗粒的冲击起动和流体起动风速之间。偶尔被起动的颗粒在风力作用下发展为具有更强溅射作用的运动颗粒，其进一步催生更多的跃移运动，形成向下风向运动的跃移颗粒群，最终发展为低通量风沙流，使表面形态发生缓慢变化，这一理论得到了火星小沙波纹的验证^［13］。用该理论解释火星大沙波纹时，其空间尺度较大的特征被归因于火星环境下的跃移运动特征，火星重力和大气环境特征的不同，致使跃移颗粒的运动轨迹被拉长，形成较大的沙波纹。这种火星特殊环境下产生的跃移运动的尺度效应甚至被用以解释横向沙脊的形成^［2］。

事实上，大沙波纹并不是因跃移轨迹被拉长而增大的沙波纹，其与常见的沙波纹并非简单的尺度差别^［14］，因为火星大沙波纹上叠置小沙波纹，两种尺度的沙波纹在相同的跃移颗粒冲击机制下共生和演化是难以理解的。此外，用地球上的粗沙波纹理论也不能解释火星大沙波纹的形成，因为已有详细探测资料表明火星大沙波纹沉积物由中细沙组成。地球上粒径1 mm至几厘米的粗颗粒能够形成波长为米级的粗沙波纹或砾石波纹，虽然“勇气号”（Spirit）火星车在古谢夫陨击坑（Gusev Crater）的埃尔多拉多（El Dorado）观察到粗沙波纹，“好奇号”（Curiosity）火星车在盖尔陨击坑（Gale Crater）高大沙丘的迎风坡脚也观察到类似的粗沙波纹，但火星大沙波纹明显不同于这些粗沙波纹，因其表层并未显示粗沙覆盖的特征。

（3）流体拖拽假说。该假说认为大沙波纹是由颗粒的悬移运动形成，即分选良好的中细沙在足以使其悬移的高风速条件下，形成由悬移细沙和长轨迹跃移中沙组成的风沙流，此时在颗粒湍流作用下形成波长较长和高度较低的沙波纹^［15］，或称之为空气动力学沙波纹^［16］。在空气动力学沙波纹形成过程中，组成沙波纹的细颗粒的沉降速度通常为垂直湍流波动速度的1/2，颗粒运动轨迹受湍流的强烈影响，所以此类沙波纹的形态几何特征取决于表面剪切力的局地变化，不同于常态沙波纹的形态几何特征取决于颗粒跃移轨迹。在更大尺度上，沙丘的形态特征也被认为是取决于表面剪切力的局地变化，所以某些大沙波纹具有与沙丘相类似的空间格局（图2）。

火星大沙波纹较长的波长、不对称的截面以及蜿蜒弯曲的脊线（图11）类似某些水下沙波纹—水流波或流体拖拽波纹，所以，流体拖拽假说试图将水流波理论作为解释火星大沙波纹的理论基础^［3］，其核心是根据水槽实验得出的水流波尺度关系^［17］来估算火星大沙波纹的波长。根据实验数据，流体拖拽波的波长公式为（图12）：

式中：λ为沙波纹波长，λ*为无量纲沙波纹波长，ν为流体的运动黏滞系数，u*为床面剪切速度，τ*为希尔兹剪切力（Shields stress），Rep为颗粒雷诺数，ν/u*与黏性流体底层厚度成正比，是Repτ*的函数。

公式（1）提供了不同流体及颗粒特征和重力加速度条件下沙波纹波长的计算公式，以此公式估算的火星风力拖拽沙波纹的波长远大于厘米级尺度的冲击沙波纹，因为火星大气的运动黏滞系数高而密度小。火星不同海拔高度大气密度条件下大沙波纹波长的估算结果（图13）与流体拖拽理论结果（图12）相吻合。

根据已发表的相关研究论文，火星大沙波纹的确是一种需要深入研究的风成床面形态，其独特性表现在空间尺度、形态、格局以及沉积物组成等多个方面，最独特的是其上叠置更小尺度的常态沙波纹，出现2种级别的沙波纹共同存在和共同演化的现象，这也是将其称作大沙波纹的主要考虑。目前关于大沙波纹的理解显然是很肤浅的，因为人们对其研究的范围和深度都极其有限。关于大沙波纹的形成机制，目前有几个方面的考虑，虽然称之为假说，但仅是一些很不成熟的初步想法，且主要针对单个沙波纹的形态特征，而对其最突出的网格状格局和与小沙波纹和沙丘一起构成的三级叠置格局暂时并没有顾及。地球上的沙山、沙丘和沙波纹三级叠置格局是最普遍的沙丘地貌特征，此特征与火星沙丘地貌的三级叠置格局是否对应，理论上的推理是否定的。基于已有的大量假说、理论推导和事实，关于在平坦沙质床面上形成的沙丘，一个广为接受的理论是其波长或间距受控于含沙流的饱和长度，被称为流体床面的比例法则。基于水下沙波纹、金星风洞的微型沙丘、新鲜雪丘以及地球和火星环境风成沙丘的间距测量结果表明，含沙流的饱和长度，亦即床面形态的平均间距与颗粒粒径和颗粒/流体密度比的乘积成正比，即颗粒粒径相同时，平均间距与颗粒/流体密度比值成正比。尽管火星沙丘沉积物的粒度组成尚没有直接的实验分析结果，但大多数的探测结果显示其与地球沙丘颗粒粒径相似，在这里我们至少可以保证，火星沙丘的间距主要取决于颗粒/流体密度值。火星大气条件下大的颗粒/流体密度值远高于地球，所以火星风成床面形态的空间尺度应当明显大于地球。

事实上，火星沙丘的空间尺度总体上是小于地球沙丘的，此现象甚至是火星沙丘地貌的一个重要特征。应用流体床面的比例法则推算床面形态波长的重要条件是需要明确含沙流饱和长度的影响因素，这是目前理论研究的争论所在，因为决定含沙流饱和长度的因素是复杂多样的，如除了颗粒粒径和颗粒/流体密度值之外，还有希尔兹数、颗粒和流体雷诺数及伽利略数等，甚至可能更多。我们知道，对床面形态起作用的大气流场主要是近地表大气，火星上近地表大气特征是最不清楚的，即便在地球上，决定沙丘地貌发育的贴地层气流特征也是无法准确测量的，以至于成为沙丘地貌研究的瓶颈。对火星风沙地貌研究而言，以火星大气的总体特征来探讨风沙地貌的形成机制，特别是沙波纹尺度的小尺度风成床面形态显然是很有局限性的。尤其是火星表面升华和凝结过程的存在，使火星总体大气特征对近地层气流特征的代表性更差，近地层或贴地层气流特征事实上是火星沙丘地貌研究的关键信息，可惜是最缺乏的信息。

火星大沙波纹的特殊性最近几年才被确认，在此之前人们将其视为与地球上常见沙波纹相似的大的风成床面形态，以至于被用于反演火星表面风场，乃至根据埋藏沙波纹推断火星历史时期的大气特征。Lapotre等^［3］基于火星大沙波纹的流体拖拽假说，指出火星大沙波纹代表稀薄大气，所以“机遇号”（Opportunity）火星车在维多利亚陨击坑开普圣玛丽（Cape St. Mary， Victoria crater）观察到的埋藏大沙波纹表明，在晚诺亚纪和早西方纪（Late Noachian-Early Hesperian）的布恩斯建造（Burns formation）的沉积时期，火星大气已很稀薄。在反演火星表面风况时，必须对大沙波纹形态主要是其走向以及火星大沙波纹的网格状格局进行谨慎分析，特别是所谓的纵向大沙波纹的发现表明，在有些情况下，大沙波纹对应复杂的多风况环境。

火星大沙波纹与地表风况对应关系涉及到的另外一个重要问题是大沙波纹形成与演化的时间尺度问题。基于稳定性分析，火星风沙地貌的演化速度较地球慢得多，如沙丘在千年乃至万年时间尺度上才会发生明显的变化^［6］，重要原因是火星起沙风出现的频率少以及许多地区的表面被经常冻结，大沙波纹的形成与演化时间尺度比常见的小沙波纹长，所以，大沙波纹对风况的敏感性以及对风向的指示作用是需要谨慎考虑的问题。火星大沙波纹是值得特别研究的，对总体上认识火星风沙地貌、火星环境特征及其演化历史具有重要意义。