地球表面高山、丘陵、沙漠、河流、潮灘等地貌形態(tài)萬(wàn)千，它們是如何在歷史的歲月中逐漸形成的呢？放眼宇宙，空氣密度極低的冥王星，是如何神奇地?fù)碛胸S富的沙丘地貌？被稱為沙漠行星的火星會(huì)因?yàn)榇箫L(fēng)而刮起沙塵暴嗎……
這些自然界中的奧秘正是地球物理學(xué)科的泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)所研究的問(wèn)題。已有的研究告訴我們，泥沙顆粒輸運(yùn)普遍發(fā)生于大氣環(huán)境和水環(huán)境中，是塑造地貌形態(tài)最重要和最根本的自然過(guò)程之一。如何理解和定量描述地表環(huán)境泥沙顆粒的起動(dòng)、輸運(yùn)和沉降是揭示地貌形態(tài)千差萬(wàn)別的核心問(wèn)題。目前野外和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)證明，粗顆粒泥沙輸運(yùn)量與流體強(qiáng)度之間的關(guān)系，在大氣環(huán)境表現(xiàn)為線性，在水環(huán)境表現(xiàn)為非線性。然而，如此截然不同的輸運(yùn)規(guī)律背后的力學(xué)機(jī)制卻一直還是個(gè)迷。
近日，浙江大學(xué)海洋學(xué)院百人計(jì)劃研究員托馬斯·派茲（Thomas P?htz）博士成功揭開(kāi)了這個(gè)謎底，并推導(dǎo)出了描述粗顆粒泥沙輸運(yùn)量與流體強(qiáng)度關(guān)系的通用方程。北京時(shí)間2020年4月20日，相關(guān)研究成果在物理學(xué)學(xué)術(shù)期刊美國(guó)物理學(xué)會(huì)刊物《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters，簡(jiǎn)稱PRL)）上發(fā)表，并被該刊物和雜志Physics同時(shí)聚焦報(bào)道。
通過(guò)離散元(DEM)精細(xì)數(shù)值模擬追蹤大量泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡并分析其受力特征， 托馬斯·派茲首次發(fā)現(xiàn)，粗顆粒泥沙的動(dòng)能耗散機(jī)制主導(dǎo)其輸運(yùn)規(guī)律。大氣環(huán)境條件下顆粒和床面間碰撞是主要的耗散機(jī)制；而在水環(huán)境條件下，顆粒和床面間碰撞以及顆粒之間的碰撞起著同等重要的作用。根據(jù)這一新的理論認(rèn)識(shí)，托馬斯·派茲推導(dǎo)了能統(tǒng)一描述大氣環(huán)境和水環(huán)境粗顆粒泥沙輸運(yùn)量與流體強(qiáng)度關(guān)系的通用方程。這為深入認(rèn)識(shí)地球甚至火星等外星球表面豐富多樣的地貌形態(tài)提供了有力的理論工具。
統(tǒng)一輸沙率公式與水環(huán)境（左圖）和大氣環(huán)境（右圖）相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料對(duì)比
“最困難的部分是對(duì)模擬的結(jié)果進(jìn)行物理解釋和數(shù)學(xué)描述。在總共7年的時(shí)間里，我無(wú)數(shù)次地用筆和紙進(jìn)行嘗試。特別是在最初的4年里，我大部分時(shí)間都在思考這個(gè)問(wèn)題?！?托馬斯·派茲說(shuō)。
評(píng)審專家認(rèn)為，這項(xiàng)研究工作是地球物理學(xué)科最基礎(chǔ)而沒(méi)有被揭示的問(wèn)題。而對(duì)于未來(lái)的進(jìn)一步應(yīng)用，托馬斯·派茲表示，上述通用方程可以預(yù)測(cè)任意大氣/水體環(huán)境下的泥沙輸運(yùn)量，這使我們能夠更好地了解這些天體的地貌，還可以通過(guò)測(cè)量行星的動(dòng)力地貌來(lái)間接推斷行星的風(fēng)況。
據(jù)悉，托馬斯·派茲于2020年1月起受邀擔(dān)任美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)會(huì)刊《地球物理學(xué)研究雜志-地表過(guò)程》的副主編。他是浙大近海環(huán)境流體力學(xué)團(tuán)隊(duì)的重要成員。該團(tuán)隊(duì)由賀治國(guó)教授領(lǐng)銜，主要從事近海泥沙動(dòng)力學(xué)、海岸動(dòng)力學(xué)、近海環(huán)境流體力學(xué)等方面的研究，成果已逐步應(yīng)用于理解河口海岸泥沙運(yùn)動(dòng)、深水航道整治、深海地貌演變、深海熱液源礦物顆粒沉積等問(wèn)題，取得了重要的國(guó)際影響力。
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和浙江大學(xué)百人計(jì)劃研究基金資助。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.168001
（文 吳雅蘭/圖片由受訪者提供）
