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浙大科學家發現泥沙顆粒輸運背后的力學機制

發布時間:2020-04-21來源:浙大新聞辦作者:吳雅蘭301

地球表面高山、丘陵、沙漠、河流、潮灘等地貌形態萬千,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,是如何神奇地擁有豐富的沙丘地貌?被稱為沙漠行星的火星會因為大風而刮起沙塵暴嗎……

這些自然界中的奧秘正是地球物理學科的泥沙運動力學所研究的問題。已有的研究告訴我們,泥沙顆粒輸運普遍發生于大氣環境和水環境中,是塑造地貌形態最重要和最根本的自然過程之一。如何理解和定量描述地表環境泥沙顆粒的起動、輸運和沉降是揭示地貌形態千差萬別的核心問題。目前野外和實驗數據已經證明,粗顆粒泥沙輸運量與流體強度之間的關系,在大氣環境表現為線性,在水環境表現為非線性。然而,如此截然不同的輸運規律背后的力學機制卻一直還是個迷。

近日,浙江大學海洋學院百人計劃研究員托馬斯·派茲(Thomas P?htz)博士成功揭開了這個謎底,并推導出了描述粗顆粒泥沙輸運量與流體強度關系的通用方程。北京時間2020420日,相關研究成果在物理學學術期刊美國物理學會刊物《物理評論快報》(Physical Review Letters,簡稱PRL))上發表,并被該刊物和雜志Physics同時聚焦報道。

通過離散元(DEM)精細數值模擬追蹤大量泥沙顆粒的運動軌跡并分析其受力特征, 托馬斯·派茲首次發現,粗顆粒泥沙的動能耗散機制主導其輸運規律。大氣環境條件下顆粒和床面間碰撞是主要的耗散機制;而在水環境條件下,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。根據這一新的理論認識,托馬斯·派茲推導了能統一描述大氣環境和水環境粗顆粒泥沙輸運量與流體強度關系的通用方程。這為深入認識地球甚至火星等外星球表面豐富多樣的地貌形態提供了有力的理論工具。

統一輸沙率公式與水環境(左圖)和大氣環境(右圖)相關實驗資料對比

最困難的部分是對模擬的結果進行物理解釋和數學描述。在總共7年的時間里,我無數次地用筆和紙進行嘗試。特別是在最初的4年里,我大部分時間都在思考這個問題。” 托馬斯·派茲說。

評審專家認為,這項研究工作是地球物理學科最基礎而沒有被揭示的問題。而對于未來的進一步應用,托馬斯·派茲表示,上述通用方程可以預測任意大氣/水體環境下的泥沙輸運量,這使我們能夠更好地了解這些天體的地貌,還可以通過測量行星的動力地貌來間接推斷行星的風況。

據悉,托馬斯·派茲于20201月起受邀擔任美國地球物理學會會刊《地球物理學研究雜志-地表過程》的副主編。他是浙大近海環境流體力學團隊的重要成員。該團隊由賀治國教授領銜,主要從事近海泥沙動力學、海岸動力學、近海環境流體力學等方面的研究,成果已逐步應用于理解河口海岸泥沙運動、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題,取得了重要的國際影響力。

該研究得到國家自然科學基金和浙江大學百人計劃研究基金資助。

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)

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