近日，浙江大學(xué)海洋學(xué)院求是特聘教授 Thomas P?htz 聯(lián)合以色列內(nèi)蓋夫的本-古里安大學(xué)、德國萊比錫大學(xué)、美國杜克大學(xué)等多個研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，在國際著名期刊 Nature Geoscience 發(fā)表題為“Coevolving aerodynamic and impact ripples on Earth”的學(xué)術(shù)論文，揭示地球上和火星等其他天體上都存在兩種不同類型的沙波。研究成果對于理解地球上和火星等其他天體上的風(fēng)成地貌特征具有重要意義，也為未來的行星探測和環(huán)境研究提供了寶貴的科學(xué)依據(jù)。
沙波是一種地球上和太陽系各種天體上常見的地貌形態(tài)，幾乎在任何流體或氣體流過顆粒層的地方都會自發(fā)形成。沙波的形成和演化是地貌學(xué)和行星科學(xué)中的重要課題，它們不僅影響著行星表面的景觀，還記錄了氣候和環(huán)境變化的歷史。然而，近年來沙波的成因在地貌學(xué)、沉積學(xué)、行星地質(zhì)學(xué)和顆粒物理學(xué)界引起了激烈的爭論，尤其是地球上存在的沙波與火星上的沙波是否具有相似的物理形成過程。
圖1 不同環(huán)境條件下形成的介觀尺度沙波的示例和分類。這些沙波在地球上、火星上以及其他天體上由于大氣密度、壓力和湍流特性的變化而呈現(xiàn)出不同的形狀和大小，但都存在兩種不同類型的沙波：流體動力沙波（Hydrodynamic ripples）與沖擊沙波（Impact ripples）
國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過在常壓和低壓風(fēng)洞中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究細(xì)粒度單分散沙床在環(huán)境空氣中形成的風(fēng)成沙波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，可以重現(xiàn)地在沙床上形成厘米級和分米級的沙波，揭示了兩種相鄰的介觀尺度生長不穩(wěn)定性。通過形態(tài)特征和定量顆粒尺度數(shù)值模擬及理論分析，團(tuán)隊(duì)首次確認(rèn)了較小的沙波為沖擊沙波，而較大的沙波則源于流體動力學(xué)不穩(wěn)定性，這挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的沙波分類，不是單一的一種，而是兩種床形類型。相應(yīng)的流體動力學(xué)模型支持了地球上存在流體動力沙波的觀點(diǎn)，并將其與巨型沙波和有爭議的火星沙波聯(lián)系起來，為太陽系中發(fā)現(xiàn)的介觀顆粒床形提供了統(tǒng)一的觀點(diǎn)。
傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，地球上的風(fēng)成沙波形成機(jī)制與火星上的截然不同。地球上的沙波，尺寸通常在厘米級或更小，主要通過流體動力學(xué)不穩(wěn)定性（hydrodynamic ripple）形成，這與湍流流動和地形之間的相位變化有關(guān)。地球上的沙波通常在風(fēng)力作用下形成，風(fēng)力搬運(yùn)沙粒并在特定的風(fēng)速條件下沉積，形成不同尺度的沙波和沙丘。而火星的大氣密度遠(yuǎn)低于地球，且風(fēng)力作用下的沙粒運(yùn)動受到的阻力較小，火星上厘米級尺度的小型沙波，被認(rèn)為是由風(fēng)力作用下沙粒的跳躍和碰撞（impact ripple）形成的。此外，火星上的大型沙波，通常在分米到米級尺度上形成，其形態(tài)上與地球上的水下沙波相似，它們的物理起源存在爭議，有研究支持它們可能是由類似于水下沙波的流體動力學(xué)過程形成的，而其他研究則認(rèn)為它們可能是由風(fēng)成過程形成的，而后被證明是流體動力學(xué)沙波和沖擊沙波共存的結(jié)果。
圖2 常壓風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中對初始平坦的沙床施加恒定風(fēng)速，測量到的多個生長不穩(wěn)定性，記錄了沙床上形成的較大尺度（分米級）沙波和較小尺度（厘米級）沙波的演化過程。厘米級沙波疊加在分米級沙波之上，并且這兩個不同尺度沙波同時發(fā)展
團(tuán)隊(duì)在以色列本-古里安大學(xué)和丹麥奧胡斯大學(xué)分別在地球環(huán)境和火星大氣條件下進(jìn)行了一系列的受控風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，兩者都展示了兩種不同類型沙波——沖擊沙波和流體動力沙波的穩(wěn)定共存。它們波長相近但生長速率不同，這可能解釋了為什么它們在地球上難以區(qū)分，并且在過去的研究中可能很容易被混淆。團(tuán)隊(duì)對不同風(fēng)速、顆粒大小和大氣壓力的仔細(xì)分析，以及與數(shù)值模擬和理論的比較，進(jìn)一步證實(shí)了一個與傳統(tǒng)觀念相悖的意外結(jié)論：在地球上，就像在火星上一樣，兩種不同類型的沙波可以共存，而且更大、更慢的一個本質(zhì)上是流體動力沙波。
流體動力沙波的存在也從根本上挑戰(zhàn)了現(xiàn)存的風(fēng)沙輸運(yùn)躍移模型，因?yàn)樗凳玖孙L(fēng)成輸運(yùn)層和風(fēng)速之間非常緊密的耦合，飽和長度比以前認(rèn)為的要短得多（風(fēng)成輸沙層在與平均沙粒跳躍長度相當(dāng)?shù)某叨壬蠈Φ匦蔚捻憫?yīng)比以前認(rèn)為的要快）。為了解釋地球上流體動力學(xué)沙波的形成，團(tuán)隊(duì)提出了一個關(guān)于風(fēng)成輸運(yùn)層中存在亞尺度飽和過程的假設(shè)以校準(zhǔn)新的飽和尺度，并通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。這一假設(shè)有助于解釋火星上巨型沙波的形成和特性。進(jìn)一步提出了一個最新的沙波理論模型，模型考慮了在地球條件下穩(wěn)定的風(fēng)成水動力學(xué)沙波，因此有望在一個統(tǒng)一的風(fēng)成結(jié)構(gòu)形成理論中捕捉并解釋所有先前的觀察。然而，要在更廣泛的環(huán)境條件和顆粒大小范圍內(nèi)定量驗(yàn)證這一預(yù)期，將需要進(jìn)一步精心控制的實(shí)地和實(shí)驗(yàn)室工作，以及進(jìn)一步的理論研究。特別是，基于顆粒尺度運(yùn)輸物理的自下而上理論的構(gòu)建將不是一項(xiàng)容易的任務(wù)。
隨著對這些沙波形成機(jī)制的進(jìn)一步了解，科學(xué)家們將能夠更好地解釋和預(yù)測風(fēng)成地貌的演變，這對于理解行星表面的環(huán)境變化和地質(zhì)歷史具有深遠(yuǎn)的影響。這一領(lǐng)域的進(jìn)步不僅將推動地質(zhì)學(xué)和行星科學(xué)的發(fā)展，還可能對環(huán)境監(jiān)測、資源勘探和災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。
該論文通訊作者為Thomas P?htz，Orencio Durán，Itzhak Katra。該研究得到了國家自然科學(xué)基金和以色列科學(xué)基金、德國-以色列科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41561-023-01348-3
