在地球上发现的沙巨波纹中有一个隐藏的数学“定律”

某些沙浪,波长在 30 厘米(近 12 英寸)和几米(约 30 英尺)之间,被称为巨浪:它们的大小介于普通的海滩波纹和完整的沙丘之间,我们不仅在地球,但即使在火星等其他行星上,也因其无所不包的沙尘暴而闻名。

除了它们的大小之外,这些中间波纹的一个关键特征是所涉及的粒度——粗颗粒的表面覆盖在更细的材料的内部。然而,这种谷物的混合从来都不是一样的,吹过沙子的风也不是一开始就产生涟漪的。

现在,研究人员发现了巨型波纹的一个令人惊讶的数学特征:将混合物中最粗颗粒的直径除以最小颗粒的直径总是等于一个相似的数字——这在过去几十年的研究中从未被发现。

横向风成脊,一种在火星上看到的巨波。(NASA/JPL-Caltech/亚利桑那大学)

研究作者总结说,将来,这个数字可用于对不同类型的涟漪进行分类,以及哪些特定的谷物运输过程形成了涟漪。

研究人员在他们发表的论文中写道:“我们发现,颗粒尺度传输的特征特征被编码在与巨型波共同进化的颗粒大小分布 (GSD) 中。”

“我们对原始和文献数据的汇编牢固地确立了理论预测在广泛的地理位置和普遍的环境条件下的准确性和稳健性。”

当风吹过沙子时,巨大的波纹是由细颗粒引发的粗颗粒引起的。以不同的速度行进,粗粒聚集在波纹的顶部,而细粒通常沉降在波谷中。

样本来自以色列、中国、、印度、以色列、约旦、南极洲和美国新墨西哥州的巨型油田。根据在火星和实验室风洞中的观察结果添加了进一步的分析。

研究人员写道: “涵盖广泛的地理来源和环境条件的陆地和地外数据的综合集合支持了这一出人意料的理论发现的准确性和稳健性。”

使巨型波纹与众不同的是,它们比较小的沙波纹和更大的沙丘更脆弱,并且更容易受到不断变化的风模式的影响——如果风变得太强,产生巨型波纹的机制就会被压倒。

研究人员建议,他们的计算也可用于预测何时会发生这种情况,甚至可以根据以前的巨型水波留下的沉积物来回顾过去的天气和气候条件。

这些发现甚至适用于地球以外的地方:它们可以让我们更好地了解巨型波纹是如何在火星等行星上产生的,以及产生它们所需的大气条件,而不是其他类型的沙波。

莱比锡大学的理论物理学家 Katharina Tholen 说: “如果我们能够利用普遍的大气条件来解释陆地和地外沙波的起源和迁移,这将是重要的一步。”

“然后有可能评估我们目前正在观察的沙子结构,例如在火星或地球上的化石和偏远地区,作为过去气候条件的复杂档案。”

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