泥沙颗粒输运背后的力学机制

地球表面高山、丘陵、沙漠、河流、潮滩等地貌形态万千，它们是如何在历史的岁月中逐渐形成的呢？放眼宇宙，空气密度极低的冥王星，是如何神奇地拥有丰富的沙丘地貌？被称为沙漠行星的火星会因为大风而刮起沙尘暴吗……

这些自然界中的奥秘正是地球物理学科的泥沙运动力学所研究的问题。已有的研究告诉我们，泥沙颗粒输运普遍发生于大气环境和水环境中，是塑造地貌形态最重要和最根本的自然过程之一。如何理解和定量描述地表环境泥沙颗粒的起动、输运和沉降是揭示地貌形态千差万别的核心问题。目前野外和实验数据已经证明，粗颗粒泥沙输运量与流体强度之间的关系，在大气环境表现为线性，在水环境表现为非线性。然而，如此截然不同的输运规律背后的力学机制却一直还是个迷。

近日，浙江大学海洋学院百人计划研究员托马斯·派兹（Thomas Pähtz）博士成功揭开了这个谜底，并推导出了描述粗颗粒泥沙输运量与流体强度关系的通用方程。北京时间2020年4月20日，相关研究成果在物理学学术期刊美国物理学会刊物《物理评论快报》(Physical Review Letters，简称PRL)）上发表，并被该刊物和杂志Physics同时聚焦报道。

通过离散元(DEM)精细数值模拟追踪大量泥沙颗粒的运动轨迹并分析其受力特征， 托马斯·派兹首次发现，粗颗粒泥沙的动能耗散机制主导其输运规律。大气环境条件下颗粒和床面间碰撞是主要的耗散机制；而在水环境条件下，颗粒和床面间碰撞以及颗粒之间的碰撞起着同等重要的作用。根据这一新的理论认识，托马斯·派兹推导了能统一描述大气环境和水环境粗颗粒泥沙输运量与流体强度关系的通用方程。这为深入认识地球甚至火星等外星球表面丰富多样的地貌形态提供了有力的理论工具。

统一输沙率公式与水环境（左图）和大气环境（右图）相关实验资料对比

“最困难的部分是对模拟的结果进行物理解释和数学描述。在总共7年的时间里，我无数次地用笔和纸进行尝试。特别是在最初的4年里，我大部分时间都在思考这个问题。” 托马斯·派兹说。

评审专家认为，这项研究工作是地球物理学科最基础而没有被揭示的问题。而对于未来的进一步应用，托马斯·派兹表示，上述通用方程可以预测任意大气/水体环境下的泥沙输运量，这使我们能够更好地了解这些天体的地貌，还可以通过测量行星的动力地貌来间接推断行星的风况。

据悉，托马斯·派兹于2020年1月起受邀担任美国地球物理学会会刊《地球物理学研究杂志-地表过程》的副主编。他是浙大近海环境流体力学团队的重要成员。该团队由贺治国教授领衔，主要从事近海泥沙动力学、海岸动力学、近海环境流体力学等方面的研究，成果已逐步应用于理解河口海岸泥沙运动、深水航道整治、深海地貌演变、深海热液源矿物颗粒沉积等问题，取得了重要的国际影响力。

该研究得到国家自然科学基金和浙江大学百人计划研究基金资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.168001