沙之涟漪讲述的故事 - 《华尔街日报》

物理学家海伦·切尔斯基探索常见现象背后的复杂科学。阅读更多专栏请点击此处。

又到海滩季，虽然我也难以抗拒冰淇淋、飞盘和踏浪的诱惑，但真正让我爱上任何海滩的原因是它同时具备躁动与宁静的特质。眺望海洋时，时间仿佛静止，浩瀚的海面如同地球尺寸的慰藉毯，让你重新审视烦恼。但海滩又始终处于变化之中——每天走在同一条小径，沙粒总会呈现崭新的样貌。我最钟爱沙面上的波纹，因为它们诉说着自然的故事。

这些波纹最引人注目的是其高度规律性。它们存在于潮汐、洋流与风共同作用的环境中，每粒沙子都受制于周遭无序流动的水体与空气。这本该导致混乱，但微小的沙粒却能排列出规整图案：有时是笔直的脊线，有时呈波浪或菱形，有时分叉又复合。尽管每粒沙独立运动，却共同构成了更宏大的形态。

所有沙粒都遵循相同的物理法则。虽然我们无法观测每粒沙的受力情况，但整体图案却揭示了它们形成时的环境信息——只要你懂得解读。海滩波纹在水下形成，当波浪或水流掠过沙床时，低速水流不会产生影响，但一旦流速足以推动沙粒滚动，奇迹便开始显现。

首先你会注意到水边的波纹与溪流入海处水道中的波纹有所不同。水道中水流仅朝单一方向流动。一旦河床出现任何隆起，水流经高点时速度会短暂加快，推动沙粒沿缓坡上移。越过峰顶后水流减速，沙粒便沿着山脊更陡的下游侧滑落，形成不对称的波纹。随着更多沙粒被推上斜坡，波纹逐渐扩大。经过一段时间，水流在波峰微加速、在波谷减速的模式趋于稳定，波纹间距便根据水深和流速形成规律排列。

水边的波纹则由经过的波浪造成，波浪会使水体做圆周运动，因此这些波纹呈对称形态，上下游侧坡度相同。其间距取决于水深与浪高。若退潮时波浪减弱，波峰会被侵蚀变平。

当然，洋流与潮汐从不停歇，波纹刚适应某种环境又面临新变化。这正是那些蜿蜒分叉的波纹图案的成因——它们定格在形态切换的中间态。

塑造海滩波纹的物理原理与形成风力沙丘的原理相同。这解释了为何在火星和土卫六发现波纹令科学家振奋。就像我们能通过海滩波纹解读其形成环境一样，科学家正通过观测外星的风成波纹来研究地外环境。今年夏天漫步海滩时，不妨试着解读那些波纹密码，想象太空中还有多少沙粒书写的信息等待破译。

出现在2023年8月19日的印刷版中，标题为《沙中涟漪讲述的故事》。