金沙4166.com新疆生地所揭示穹状沙丘发育机制,通过沙丘形态可推断火星刮了什么风

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通过沙丘形态可推断火星刮了什么风

穹状沙丘外形浑圆、缺乏落沙坡且独立存在,是一类外形特殊的沙丘,在地球与火星上分布较普遍,但是,长期以来科研人员对穹状沙丘的形成发育机制解释不清。

火星离人类太远,如果想了解它的情况该怎么办?

中国科学院新疆生态与地理研究所副研究员高鑫采用元胞自动机模型模拟与实际观测相结合的方法,首次从动力学机制角度阐明了穹状沙丘的发育机制:在沙源不丰富的区域,输沙方向分布标准差增加促使新月形向穹状沙丘演变。在稳定状态下,新月形和穹状沙丘都表现为其移动速度与高度呈反比例的动力学机制。此外,科研人员可以利用局地区域穹状沙丘的形态与移动速度反演输沙和风况特征。

日前,中国科学院新疆生态与地理研究所副研究员高鑫首次查明了穹状沙丘的形态特征,揭示其形成过程及影响因素,填补了风沙地貌研究的空白。而这一研究成果,能让我们推测出火星的沙丘上刮了怎样的风,吹了多少沙。

该研究首次从动力学机制角度阐述了穹状沙丘的形成与演化过程,相关研究结果以Morphodynamics
of barchan and dome dunes under variable wind regimes

为题发表在美国地质学会期刊Geology上。

在人们眼里,沙丘是地球上沙漠地区广泛分布的风沙地貌,是沙质地面经风的吹蚀、搬运和堆积作用而成的一种风积地貌。但人们没有想到的是,沙丘这种地貌在火星和土卫六上也有发现,而且是大量不同形态的沙丘分布。

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在这其中,穹状沙丘由于其独特魅力,更是科学家们感兴趣的一类沙丘。所谓穹状沙丘,是一类外形特殊的沙丘。它们外形浑圆,平面图形近似圆形或椭圆形,像一个一个大大小小的馒头,缺乏落沙坡,个体空间分布不规则。它不仅在地球上分布极广,火星和土卫六上分布也很普遍。

图1
地球系统中的穹状沙丘与输沙标准差的定义。A、塔克拉玛干沙漠中的巨型穹状沙丘。B、C、D、撒哈拉沙漠中的穹状沙丘。E、单向和多向风的输沙标准差定义。F、RDP/DP与输沙标准差的关系。

沙丘是如何形成并演变的?风沙地貌学者认为,风况和沙源供给丰富度决定了沙丘的形态。但对穹状沙丘这类特殊的沙丘,在其形成和发育机制上还有待开展进一步研究。

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高鑫的研究结果表明,穹状沙丘发生在沙源相对较不丰富和复杂风况的环境下。受风况复杂程度的影响,穹状沙丘可由新月形沙,即外形类似新月一样的沙丘演化而成。穹状沙丘是从新月形沙丘演化而来,当比较复杂的、各个方向的风吹来后,新月就慢慢被“填满”,并越堆越高,变成馒头形的穹状沙丘。而风吹的方向、强度都会影响这些“馒头”的形成过程。另外,相比新月形沙丘,穹状沙丘对应着地表上更加强烈的风沙流掠过。研究发现,“馒头”越高,它移动的速度越慢,这与新月形沙丘具有类似的动力学过程,在稳定状态下,高度越高,其移动速度越慢。

图2
穹状沙丘的形态动力学。A、穹状沙丘的不对称性与输沙标准差的关系(方形和圆形符号分别代表实际观测和模拟结果)。B、稳定状态下,穹状沙丘的移动速度与高度的关系。

虽然穹状沙丘不像新月形沙丘输沙方向单一,但穹状沙丘在某一个时刻,某一方向的输沙量对穹状沙丘整体的形成有着至关重要的作用。因此,可以直接通过测量自然界中穹状沙丘的形态、规模以及移动速度来估算局地区域输沙量以及风况的变化特征。

基于这种认识与研究成果,人们将目光投向缺乏风况资料的火星与土卫六的沙丘研究。他们通过遥感影像去观察这些穹状沙丘的样子以及变化的规律,然后根据这些资料以及之前建立好的穹状沙丘和输沙量等关系的模型,反演和推算出火星和土卫六的风况和输沙特征。

也就是说,通过这些大大小小的“馒头”穹状沙丘,我们可以推算出这个区域刮了什么风,吹了多少沙。这让我们对火星和土卫六地貌的了解又近了一步。