美丽的沙波纹是如何形成的　有何意义？

　　沙漠中直径在微米量级的“一盘散沙”的颗颗沙粒在风场作用下会呈现出形状相似但尺度相去甚远的沙波纹（厘米量级）、沙丘（数十米量级）、沙山和沙垅（数千米量级）。这种地貌景观不仅在地球上而且已经在太阳系的其它行星，如：火星、金星和土卫6 Titan（泰坦）上被发现。科学家们一直在试图揭示和预测风沙运动这种复杂动力学系统的主要特征和行为，并利用计算机模拟技术再现沙波纹的形成和发展过程，但尚未得到令人满意的结果。

　　在最近一期的《中国科学G辑：物理学 力学 天文学》上，报道了兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室郑晓静教授等的研究工作。他们提出一种离散粒子追踪法，成功模拟了自然界的沙波纹。他们认为，自然界沙波纹是沙粒的散体性与整体的统计规律性有机结合后形成的一种图案，其形成过程包括3个主要因素：1）无数粒径各异的沙粒在沙床上方形成的风沙流；2）风沙流中沙粒对沙床的碰撞以及碰撞后沙粒的反弹或溅起；3）沙粒在床面上方的跃移和在床面的蠕移。这是应该在沙波纹的预测和模拟中充分考虑的。与现有模拟沙波纹方法不同的是她们提出的模拟方法同时考虑这三个主要因素，所得到的沙波纹的形状和结构特征、发展过程和移动速度、形成和消失的临界条件等均与对自然界真实沙波纹的实验观测和测量结果一致。

　　模拟发现，在稳定风场的作用下，沙床表面的沙波纹的形成经历了由沙床面开始出现微小凸起、初级波纹的合并、形成稳定的饱和沙波纹三个阶段，然后，沙波纹将保持其形状和尺寸沿风向向前移动。饱和沙波纹的形状为迎风坡面略微凸起而背风坡呈凹面，粒径较大的沙粒分布于沙波纹顶端，而粒径较小的沙粒位于沙波纹的底部。饱和沙波纹几何尺寸、形成所需的时间和移动的速度与来流风速和沙粒大小有关，如：在由0.2毫米, 0.3毫米, 0.4毫米的三种粒径分别按2:5:3的比例形成的沙床上，当来流风场的摩阻风速为0.5米/秒时，饱和沙波纹的波长和波高分别约为11.52厘米和5.4毫米、迎风坡和背风坡的角度分别约为 度和 度,形成饱和沙波纹的时间约为7.7分钟， 而移动速度约为9毫米/分钟。模拟还发现沙波纹形成和消失的两个临界风速。对于前面提到的混合沙床和由单一粒径为0.3毫米的沙床，临界摩阻风速分别为0.3米/秒和0.7米/秒，这意味着：当来流风场的摩阻风速小于0.3米/秒时床面很难有沙波纹形成；而当来流风场的摩阻风速大于0.7米/秒，由于沙粒跃移运动加剧，跃移层厚度增加，因而所形成的沙波纹也将消失。该文提出的方法和给出的结果有助于人们更为准确地认识和预测风沙运动，也有助于对其它星球上的环境和地貌的理解和预测。