沙丘移動的奧秘

邵峰

以色列城市阿什杜德是一座不折不扣的現(xiàn)代化都市，那里屹立著大型購物中心、劇院、酒吧和高等學府，商業(yè)、文化和教育資源都十分發(fā)達。不過，這座城市也有自己的特殊之處。每逢周末，阿什杜德的許多市民便迫不及待地拎起桶和鐵鍬，駕車駛向城市東南角：這里有全世界規(guī)模罕見的城市大沙丘。

大沙丘上玩耍的孩子們

阿什杜德大沙丘的總面積相當于12個標準足球場，占據這座城市大部分的未開發(fā)土地，其中最高沙丘的高度相當于10層樓。如今，大沙丘正以每年3米的速度吞噬主城區(qū)。如果不把大沙丘處理掉，那么日后會給生活在城市的居民帶來許多麻煩。若以現(xiàn)在的沙丘移動速度推算，50年后阿什杜德的主要街區(qū)就會被沙子掩埋。一些專家表示，如果不能找到治理大沙丘的方案，那么只能用推土機將它一點點搬走。

沙丘是如何出現(xiàn)的？一直以來，就連科學家也很難將沙丘形成的機制講明白。

風塑造了不同類型的沙丘

沙丘的形成很神秘

說到沙丘，你可能會想到撒哈拉沙漠那無邊無際的沙丘在大風吹拂下不斷改變形狀和大小的情景。還有很多別的沙丘值得觀賞，例如毛里求斯被稱作“七色大地”的沙漠景觀擁有紅色、橘色、紫色等多種色調，這歸因于那里特殊的地質條件。此外，沙丘也可以形成于水下，甚至會出現(xiàn)在其他星球上。

沙丘是怎么形成的？答案很簡單：風將沙粒吹到一塊兒，沙粒慢慢堆疊起來就形成了沙丘。然而，如果要繼續(xù)深究下去，你可能會問：為什么散亂的沙子在風的吹動下能形成有序的沙丘？這個問題一直困擾著科學家。一些科學家認為，沙丘的形成機制與“基本物理法則”有關，因此有必要盡快弄清楚。而且，隨著人類的生產開發(fā)不斷進入沙漠地帶，以及受氣候變化的影響，更多地區(qū)變得越來越干燥，解開沙丘的形成和移動之謎將有助于我們更好地預測沙漠走向。

通過比對同一區(qū)域不同年份的航拍照片，科學家發(fā)現(xiàn)大小沙丘都在持續(xù)移動：小沙丘移動速度較快（每年可移動最多100米），大沙丘移動速度較慢。在這種速度差異的作用下，照理說，移動更快的小沙丘最終會撞上大沙丘，并可能出現(xiàn)下列兩種情況。第一種是，大沙丘和小沙丘彼此可能會交換各自的沙粒，最終兩者的大小趨于接近。第二種是，大小沙丘可能會合并形成更大的沙丘。如果這樣，那么整個沙漠最終只會僅剩幾個或只有一個超大沙丘。但在現(xiàn)實中，這兩種情況都沒有發(fā)生。

為什么大小沙丘可以共存？

2020年，英國科學家納塔莉等人發(fā)現(xiàn)，沙丘之間竟然能夠“交流”，這也是大小沙丘能夠共存的秘密。他們搭建了一個名為“沙丘賽場”的環(huán)形水箱，其中被注滿水并堆放了多個間隔相等、大小和形狀都相同的微型沙丘。在水泵作用下，水箱內的水以極快的速度在水箱內循環(huán)流動，并使水箱中的微型沙丘移動并互相碰撞。

當水箱中的水開始流動后，微型沙丘也開始逐漸移動。一開始，靠近水泵的沙丘移動得比遠離水泵的沙丘快，但沒過多久，靠近水泵的沙丘的移動速度開始放慢，沙丘之間的移動速度逐漸統(tǒng)一，仿佛沙丘之間能夠交流。更有趣的是，水在流過一個沙丘后會形成渦流，將位于其后方的沙丘推得越來越遠。在現(xiàn)實的沙漠中也能見到類似的情況：上風的沙丘會使經過的空氣發(fā)生偏轉，產生湍流旋渦來推開位于下風的沙丘。納塔莉解釋說：“下風沙丘就像被上風沙丘踢了一腳似的。”這就能解釋為什么眾多沙丘不會合并成一個巨型沙丘。

為什么沙漠中只有沙波紋和一米以上的沙丘？高度介于這兩者之間的沙丘去了哪里？

沙丘為何突然變大？

沙丘神秘的成長過程同樣困擾著科學家。在沙漠中，既有起伏僅有幾厘米高的沙波紋，也有高1米以上的沙丘，但找不到高度介于兩者之間的沙丘。為什么沙丘的高度之間有如此大的斷層？

英國地質學家拉爾夫是最早研究沙丘成因的科學家之一。20世紀20年代，他帶領探險隊乘坐輕型車輛，歷經數(shù)年，穿越了埃及和利比亞的大小沙漠。這期間，柔軟的沙丘經常讓他們的車輛陷入其中無法移動，此外，不斷移動的沙丘也為他們辨認方位帶來極大挑戰(zhàn)。這些經歷引發(fā)了拉爾夫對沙丘的好奇心。回到倫敦后，他用膠合板建造了一個風洞模型，來觀察和拍攝沙丘的運動方式，從而了解沙丘移動的機制。

如今，人造風洞已經無法滿足今天沙丘實驗的要求，今天的科學家選擇在海灘上或通過人工平整后的沙漠區(qū)域進行研究。我國也一直在開展沙漠實驗。2007年，中國科學院蘭州分院的專家和法國科學家克萊門特一起，在內蒙古騰格里沙漠開辟出了一片總面積約為16個足球場大小的試驗區(qū)，希望在這里觀察沙丘形成過程的初期階段，從而了解沙丘是如何突然變大的。將沙丘完全平整后，他們離開了。三個月后，他們再次來到試驗區(qū)準備進行第一次測量，卻發(fā)現(xiàn)已經來晚了：一座座高約1米的沙丘已經立在試驗區(qū)中。

沙漠中沙粒的三種運動方式

2013年，克萊門特和中科院團隊再次奔赴騰格里沙漠。這次他們平整出了一塊比上次試驗區(qū)小的試驗區(qū)，并從一開始便利用激光掃描儀對試驗區(qū)進行頻繁而細致的測量。他們的努力終于換回了他們想要的數(shù)據。雖然該研究還有一些細節(jié)需要敲定，但科學家已經知道沙丘是如何突然變大的。

風對沙粒的搬運

2018年，德國科學家克勞斯等人發(fā)現(xiàn)了10厘米高的早期沙丘，這是科學家首次觀察到自然條件下形成的初期沙丘?？藙谒篂槠淙∶熬逎i漪”。然而，巨漣漪并非常見的沙丘類型，因為它并非由風吹形成，而是由一些大沙粒從沙丘上滾落、撞擊并擾亂底部平整的沙面所形成的。

研究沙丘事關重大

研究沙丘的移動看似無關緊要，實則關系重大。全世界干旱和荒漠化問題日益嚴峻。以北非國家摩洛哥為例，該國國土面積的93%受干旱氣候影響，全國超過1300萬人口受沙漠化影響。摩洛哥的不少河流已經干涸，河床中的沙質沉積物被風揚起，覆蓋了許多肥沃的農田，使耕地成為新的沙漠。在西非毛里塔尼亞的首都努瓦克肖特，當?shù)厝瞬坏貌活l繁地將建筑物和道路從沙中挖出來。

干涸的河流讓摩洛哥人民陷于水荒

納塔莉解釋說，筑墻來抵擋風沙可能收效甚微。風吹過，墻后會產生“低壓尾流”，這令風中攜帶的沙子更容易沉積下來，并將墻后方的區(qū)域掩埋起來。因此，最理想的控沙方案是先建模預測沙丘的走向，然后在沙丘未來會經過的路徑上種植植被來固定沙塵，同時避免將建筑物修建在沙丘的必經之路上。如果不能做到上述兩點，那么居住在沙丘附近的人們如果想繼續(xù)居住下去，或許就只能拎上桶和鐵鍬去搬沙。

太空沙丘

對于太空旅行者而言，土星最大的衛(wèi)星泰坦（土衛(wèi)六）可以說是不錯的度假地，因為它是太陽系中除地球之外唯一擁有液態(tài)湖泊的星球。此外，泰坦表面還有許多沙丘。不過，泰坦的湖泊由液態(tài)甲烷構成，而沙丘中的沙粒則是冰凍的烴類。

其實，太陽系內許多天體表面都有沙丘地貌。無論這些太空中的沙丘由什么物質構成，無論那里的重力和大氣構成與地球有多么不同，顆粒運動所遵守的基本物理規(guī)律是相同的。通過觀察這些天體的沙丘，科學家能夠大概了解該天體的環(huán)境信息。

泰坦表面的沙丘和河流

以冥王星為例，科學家于2018年得知冥王星的表面存在沙丘。冥王星僅有極其稀薄的大氣，因此很難想象其上能有任何風塑地貌。但近年來的觀測結果表明，冥王星表面的固態(tài)氮在白天可以升華為氮氣，形成足以塑造沙丘地貌的強風。