地球至火星大气压力下波纹沙床的主动跃移对空气动力学粗糙度的影响机制

研究人员针对火星沙丘模型中空气动力学粗糙度长度(z0)缺乏实测数据的问题，通过模拟地球至火星压力梯度(50-1020 mbar)的风洞实验，首次量化了波纹沙床在主动盐跃(saltation)条件下的z0变化规律。研究发现火星环境下z0可达1 cm，主要受床面形态阻力(form drag)主导，比传统平坦床面模型高两个数量级，为火星风场模拟和全球环流预测提供了关键参数。

　　

在探索火星表面风成地貌的形成机制时，科学家们长期面临一个关键难题：如何准确量化沙床与稀薄大气之间的相互作用。火星表面广泛分布的巨型波纹（波长可达2米）和沙丘，暗示着与地球截然不同的颗粒输运规律。然而，现有模型依赖的空气动力学粗糙度长度(z₀)参数，在火星环境下始终缺乏实验依据。这个参数如同"风的指纹"，决定了风速剖面如何随高度变化，进而影响沙粒跃移(saltation)和床面演化的全过程。

传统理论认为，z₀主要受三个因素控制：粘性底层(viscous sublayer)厚度、颗粒粗糙度(grain roughness)和盐跃层厚度。但在火星极低气压（约6 mbar）条件下，这些因素的相对贡献始终存在争议。更复杂的是，火星独特的低密度大气会促进"拖曳波纹"(drag ripples)的形成——这种地球罕见的米级波纹可能显著增强形态阻力(form drag)。NASA好奇号火星车虽观测到这些现象，却无法直接测量其空气动力学效应。

为破解这一难题，由Carlos A. Alvarez和Mathieu G. A. Lap?tre领衔的国际团队在NASA艾姆斯研究中心的火星表面风洞(MARSWIT)中开展了一系列创新实验。他们通过精确控制气压梯度(50-1020 mbar)，使用195 μm核桃壳颗粒模拟火星沙粒，首次在主动盐跃条件下测量了平衡波纹床面的z₀。研究发现，当气压降至火星环境量级时，z₀可达5×10^-4 m，比地球条件高2.5倍。通过多尺度地形模型与盐跃层模型的联合反演，团队揭示了一个反直觉现象：尽管盐跃层厚度(H_f)随气压降低而增加，但米级拖曳波纹的形态阻力会在中等气压(500 mbar)阶段暂时成为主导因素。

关键技术方法包括：(1)在13米长MARSWIT风洞中建立气压梯度(50-1020 mbar)；(2)使用可变高度皮托管测量4-5个高度的风速剖面；(3)红外摄像与LiDAR三维扫描记录波纹形态演化；(4)基于对数定律拟合计算z₀；(5)采用Jia等(2023)多尺度粗糙度模型量化形态阻力贡献。

Aerodynamic roughness of rippled beds under active saltation
实验测量显示，在1020 mbar（地球压力）下，z₀≈2×10^-4 m，与盐跃模型预测一致；当压力降至50 mbar时，z₀增至5×10^-4 m，远超仅考虑粘性底层(z_0,sublayer)或颗粒粗糙度的理论值。这表明即使在低Re_r（粗糙度雷诺数）条件下，盐跃仍能破坏粘性底层。

Focal point at low pressure
通过反演Andreotti(2004)的焦点高度模型，证实H_f∝ρ^-5/6（ρ为大气密度）的关系在低气压下依然成立。焦点速度U_f与√(ρ_s/ρ gd)的标度律（ρ_s为颗粒密度）保持稳定，验证了盐跃物理在跨行星条件下的普适性。

Relative influence of saltation and form drag
量化分析揭示z₀的组成呈现非线性变化：在1020 mbar时盐跃贡献占80%，500 mbar时因拖曳波纹形成降至45%，而在50 mbar时又回升至90%。这种震荡源于H_f/h_max（盐跃层与最大波纹高度比）随ρ^-1/6变化的规律。

Implications for Mars
外推至火星条件（p=6 mbar，d=125 μm），z_0,bedforms可达1 cm，比平坦床面高100倍。这解释了为何火星表面风速>22.5 m/s（占好奇号观测的<0.1%）才能达到Re_r=10的粗糙状态，证明拖曳波纹能在绝大多数火星风况下持续存在。

这项发表于《Nature Communications》的研究，首次建立了跨行星尺度的空气动力学粗糙度预测框架。其核心突破在于揭示了低气压环境下盐跃层与多尺度床面的非线性耦合机制，为火星沙丘迁移模型、尘暴预测乃至着陆器设计提供了关键物理参数。尤其值得注意的是，研究证实火星表面的"超级波纹"会显著增强风场阻力，这一发现或将重新解释火星表面物质循环的时空格局。团队开创的反演方法，也为其他极端环境（如泰坦星或早期地球）的颗粒-流体相互作用研究树立了新范式。