近日，浙江大学海洋学院求是特聘教授 Thomas Pähtz 联合以色列内盖夫的本-古里安大学、德国莱比锡大学、美国杜克大学等多个研究机构的科学家团队，在国际著名期刊 Nature Geoscience 发表题为“Coevolving aerodynamic and impact ripples on Earth”的学术论文，揭示地球上和火星等其他天体上都存在两种不同类型的沙波。研究成果对于理解地球上和火星等其他天体上的风成地貌特征具有重要意义，也为未来的行星探测和环境研究提供了宝贵的科学依据。

沙波是一种地球上和太阳系各种天体上常见的地貌形态，几乎在任何流体或气体流过颗粒层的地方都会自发形成。沙波的形成和演化是地貌学和行星科学中的重要课题，它们不仅影响着行星表面的景观，还记录了气候和环境变化的历史。然而，近年来沙波的成因在地貌学、沉积学、行星地质学和颗粒物理学界引起了激烈的争论，尤其是地球上存在的沙波与火星上的沙波是否具有相似的物理形成过程。

图1 不同环境条件下形成的介观尺度沙波的示例和分类。这些沙波在地球上、火星上以及其他天体上由于大气密度、压力和湍流特性的变化而呈现出不同的形状和大小，但都存在两种不同类型的沙波：流体动力沙波（Hydrodynamic ripples）与冲击沙波（Impact ripples）

国际科学家团队通过在常压和低压风洞中进行实验，研究细粒度单分散沙床在环境空气中形成的风成沙波。实验结果显示，可以重现地在沙床上形成厘米级和分米级的沙波，揭示了两种相邻的介观尺度生长不稳定性。通过形态特征和定量颗粒尺度数值模拟及理论分析，团队首次确认了较小的沙波为冲击沙波，而较大的沙波则源于流体动力学不稳定性，这挑战了传统的沙波分类，不是单一的一种，而是两种床形类型。相应的流体动力学模型支持了地球上存在流体动力沙波的观点，并将其与巨型沙波和有争议的火星沙波联系起来，为太阳系中发现的介观颗粒床形提供了统一的观点。

传统观点认为，地球上的风成沙波形成机制与火星上的截然不同。地球上的沙波，尺寸通常在厘米级或更小，主要通过流体动力学不稳定性（hydrodynamic ripple）形成，这与湍流流动和地形之间的相位变化有关。地球上的沙波通常在风力作用下形成，风力搬运沙粒并在特定的风速条件下沉积，形成不同尺度的沙波和沙丘。而火星的大气密度远低于地球，且风力作用下的沙粒运动受到的阻力较小，火星上厘米级尺度的小型沙波，被认为是由风力作用下沙粒的跳跃和碰撞（impact ripple）形成的。此外，火星上的大型沙波，通常在分米到米级尺度上形成，其形态上与地球上的水下沙波相似，它们的物理起源存在争议，有研究支持它们可能是由类似于水下沙波的流体动力学过程形成的，而其他研究则认为它们可能是由风成过程形成的，而后被证明是流体动力学沙波和冲击沙波共存的结果。

图2 常压风洞实验中对初始平坦的沙床施加恒定风速，测量到的多个生长不稳定性，记录了沙床上形成的较大尺度（分米级）沙波和较小尺度（厘米级）沙波的演化过程。厘米级沙波叠加在分米级沙波之上，并且这两个不同尺度沙波同时发展

团队在以色列本-古里安大学和丹麦奥胡斯大学分别在地球环境和火星大气条件下进行了一系列的受控风洞实验，两者都展示了两种不同类型沙波——冲击沙波和流体动力沙波的稳定共存。它们波长相近但生长速率不同，这可能解释了为什么它们在地球上难以区分，并且在过去的研究中可能很容易被混淆。团队对不同风速、颗粒大小和大气压力的仔细分析，以及与数值模拟和理论的比较，进一步证实了一个与传统观念相悖的意外结论：在地球上，就像在火星上一样，两种不同类型的沙波可以共存，而且更大、更慢的一个本质上是流体动力沙波。

流体动力沙波的存在也从根本上挑战了现存的风沙输运跃移模型，因为它暗示了风成输运层和风速之间非常紧密的耦合，饱和长度比以前认为的要短得多（风成输沙层在与平均沙粒跳跃长度相当的尺度上对地形的响应比以前认为的要快）。为了解释地球上流体动力学沙波的形成，团队提出了一个关于风成输运层中存在亚尺度饱和过程的假设以校准新的饱和尺度，并通过风洞实验数据进行了验证。这一假设有助于解释火星上巨型沙波的形成和特性。进一步提出了一个最新的沙波理论模型，模型考虑了在地球条件下稳定的风成水动力学沙波，因此有望在一个统一的风成结构形成理论中捕捉并解释所有先前的观察。然而，要在更广泛的环境条件和颗粒大小范围内定量验证这一预期，将需要进一步精心控制的实地和实验室工作，以及进一步的理论研究。特别是，基于颗粒尺度运输物理的自下而上理论的构建将不是一项容易的任务。

随着对这些沙波形成机制的进一步了解，科学家们将能够更好地解释和预测风成地貌的演变，这对于理解行星表面的环境变化和地质历史具有深远的影响。这一领域的进步不仅将推动地质学和行星科学的发展，还可能对环境监测、资源勘探和灾害预防等领域产生重要影响。

该论文通讯作者为Thomas Pähtz，Orencio Durán，Itzhak Katra。该研究得到了国家自然科学基金和以色列科学基金、德国-以色列科学基金等项目的资助。

（陈玉兰）

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41561-023-01348-3