火星斜坡条纹形成机制：尘埃、沙粒与风力驱动的季节性活动

《Nature Communications》：Dust, sand and wind drive slope streaks on Mars

本研究针对火星斜坡条纹形成机制长期存在争议的问题，通过深度学习技术系统分析了2006-2024年间216万条斜坡条纹的时空分布特征。研究首次定量揭示了斜坡条纹的形成速率（平均5.5%/火星年）及其季节性规律，证实风力驱动的沙粒跃移是主要形成机制，而陨石撞击和火星地震等非季节性因素仅贡献0.1%的形成量。该研究为理解火星表面-大气相互作用和全球尘埃循环提供了重要依据，论文发表于《Nature Communications》。

　　

在火星神秘的红色表面上，有一种被称为"斜坡条纹"的深色特征自1970年代被发现以来就一直困扰着行星科学家。这些如同手指般从山顶向下延伸的条纹，时而出现、时而消失，其形成机制引发了长达数十年的争论：究竟是短暂存在的液态水或盐水造就了这些特征，还是干燥的尘埃在作祟？这个问题的答案不仅关乎我们对火星现代地质活动的理解，更直接影响着对这颗红色星球宜居性的评估。

早期研究倾向于支持"湿性成因假说"，认为这些条纹可能是由少量液态水或盐水流动形成的。然而，随着观测数据的积累，越来越多的证据表明火星表面条件可能过于干燥和寒冷，难以支持液态水的稳定存在。近年来，一种新的"干性成因假说"逐渐获得支持，该假说认为斜坡条纹是由表面尘埃的干性崩塌形成的，但一直缺乏直接的定量证据来证实这一机制的具体过程和驱动因素。

正是在这样的科学背景下，瑞士伯尔大学空间与宜居性中心的Valentin Tertius Bickel博士在《Nature Communications》上发表了这项突破性研究。通过分析火星侦察轨道器背景相机(CTX)在2006至2024年间获取的91,687张图像，研究团队首次对火星斜坡条纹进行了全球尺度的系统性定量分析，揭示了尘埃、沙粒和风力如何共同驱动这些神秘条纹的形成。

研究采用了改进的深度学习驱动方法，基于YOLOv5架构构建了斜坡条纹检测器。该检测器在测试集上实现了75%的召回率和94%的精确度，平均精度(AP)达到80%。研究人员将火星表面划分为520,200个0.25°×0.25°的网格单元，对每个单元内的条纹进行最大数量统计和时序差异分析。为了减少由成像几何和大气条件变化引起的误检，研究还建立了噪声基底表征方法，仅考虑超过中值噪声基底的差异计数。

全球条纹形成速率和季节性

研究发现火星上存在约160万条CTX尺度的斜坡条纹，主要分布在五个全球性的"热点"区域：亚马逊区、奥林匹斯山光环(OMA)、塔尔西斯区、阿拉伯区和埃律西昂区。其中OMA区域的一个单元记录了最高密度，达221条条纹/单元。通过分析时间基线超过1火星年(MY)的图像对，研究计算出全球平均标准化条纹形成速率为5.5%/MY，相当于每个火星年形成67,200-88,000条新条纹。整个火星的条纹种群大约每18-24火星年会完全更新一次，表明斜坡条纹是一种高度动态的地质过程。

条纹形成表现出明显的季节性规律，主要集中发生在火星南半球的夏季和秋季(L_S 220°-360°)。这一模式与两个独立的手动地面实况检查结果高度一致，验证了检测方法的可靠性。研究还观察到条纹形成存在两种模式：稳态形成(<10条)和爆发式形成(>40条)，后者可能低估了实际形成数量的约2倍，因为检测器倾向于将空间共位的嵌套条纹识别为单一特征。

地震活动作为非季节性驱动因素

研究检查了24个InSight记录的地震事件，发现其中2个事件(2019年3月14日的S0105a，矩震级(M_W)3.0；2019年5月23日的S0173a，M_W 3.7)与震后图像中新条纹的爆发存在关联。然而，由于地震定位的不确定性和图像获取的时间间隔限制，直接证明地震与条纹形成之间的因果关系仍然具有挑战性。总体来看，构造活动每年可能仅触发约25条新条纹的形成，占年度形成总量的极小部分。

陨石撞击作为非季节性驱动因素

相比之下，陨石撞击与条纹形成的关联更为明确。在1,027个含有CTX运行期间新形成撞击坑的单元中，254个(25%)单元含有斜坡条纹并满足变化检测要求。其中14个单元(6%)在撞击后的图像中显示出新条纹的爆发。2006至2020年间，撞击事件似乎共触发了255条CTX尺度斜坡条纹的形成，相当于每年约34条，仅占年度形成总量的0.05%。

尘埃、风力作用和跃移作为季节性驱动因素

研究最重要的发现是揭示了风力作用作为斜坡条纹形成主要驱动机制的证据。约20%正在经历条纹形成的单元在形成季节经历了超过0.02 Pa的风应力值，而约60%的含条纹单元全年峰值风应力值超过这一阈值。多个先前研究表明，超过0.02 Pa的风应力能够启动和维持沙粒(约100μm)的跃移运动，这些沙粒在重新撞击表面时可以动员和弹射更小的尘埃颗粒(<62μm)。

火星气候数据库(MCD v6.1)的分析显示，含条纹单元的平均太阳日最大风应力在南部夏季初期(L_S ~220°)趋于接近或超过0.02 Pa，与观察到的条纹形成活动激增完全吻合。值得注意的是，当风速和风应力值超过12-17 m/s(4.5m高度)和0.02-0.03 Pa时，风速与条纹形成率之间的正相关关系似乎消失，表明存在一个阈值效应。

研究还发现条纹形成活动最可能发生在特定当地时间：阿拉伯区在日出时分，塔尔西斯区在下午晚些时候，亚马逊区在日出后不久和日落前不久，而OMA和埃律西昂区则在日落时分和之后不久。这一发现解释了为什么过去几十年的火星成像中很少直接观察到正在形成的条纹及其可能相关的尘埃云或羽流，因为大多数轨道器的观测时间窗口(如MRO在下午3点左右)与这些最活跃时段错位。

尘埃作为关键预条件因素

92%的差异计数和最大计数单元位于具有极高TES反照率(>0.26)的区域，99%的含条纹单元超过所有分析单元的平均表面反照率。更高的表面反照率似乎会导致更高的形成速率和最大条纹数量。同时，MCD衍生的柱积分尘埃光学深度值显示，在条纹形成季节，经历条纹形成的单元的大气尘埃负荷增加，特别是在L_S ~220°时明显上升。峰值条纹活动通常集中在-2000至-2500米的海拔高度，低于平均背景海拔。

讨论与意义

这项研究揭示了三个关键预条件因素和驱动因素的相互作用如何导致季节性斜坡条纹活动：地形斜坡的存在、表面尘埃和大气尘埃季节性输送的结合，以及通过跃移实现的尘埃机械动员。所有这三个条件都是形成斜坡条纹所必需的。

研究强调了一个关键因素的重要性：沙粒(100μm范围)的可利用性，这些颗粒对风应力最为敏感，因此最有可能通过跃移触发下坡尘埃位移。过去调查已确定，风成特征(如新月形沙丘和波纹)在火星上广泛分布，包括本研究确定的所有地理条纹热点区域。沙迁移同样受到强烈的季节性控制，在南部夏季初期激增并在整个南部秋季保持高位，这与斜坡条纹的分布和活动性高度一致。

与季节性驱动因素相比，陨石撞击和地震似乎是局部显著但全球相对不重要的斜坡条纹形成驱动因素。这一发现可能有助于解释为什么先前研究仅在阿拉伯地观察到了撞击和条纹位置之间的弱统计关系。值得注意的是，撞击产生和内源地震活动主要是非季节性的，似乎主要驱动条纹形成的爆发，这些爆发的速率通常超过季节性驱动因素如风力作用和跃移所观察到的速率。这种区别可能使得检测非常大的(非季节性)条纹爆发——在没有新形成撞击坑的情况下——成为轨道监测火星现代构造活动的有力工具。

研究还估算了斜坡条纹形成对火星尘埃循环的潜在贡献。采用保守的长期形成速率(4.2%/MY)，并假设平均条纹面积(0.1 km²)、厚度(5 cm)和尘埃密度(2500 kg/m³)，条纹形成将意味着每火星年移动约3.4×10^-1 km³的尘埃体积，其中约90%(3×10^-1 km³/MY)可能注入大气，相当于约7.6×10⁸吨/MY的尘埃质量，占全球年度表面-大气交换预算的26%或相当于1.9个全球性尘暴。

这项研究不仅解决了关于火星斜坡条纹形成机制的长达数十年的争论，更重要的是建立了斜坡条纹活动与全球尘埃循环之间的定量联系。研究结果表明，这些看似局部的特征实际上可能是火星全球尘埃循环中的重要组成部分，为我们理解火星现代气候和表面过程提供了新的视角。未来研究需要结合中尺度大气模型和更广泛的空气动力学粗糙度值，以解决本研究中的关键局限性，而TGO的CaSSIS仪器正在尝试捕捉斜坡条纹的主动形成并验证相关尘埃羽流的存在，这将进一步深化我们对这一迷人现象的理解。