世界各地鹽漠中不尋常的蜂窩狀圖案之謎被解開(kāi)

世界各地的鹽漠幾乎都形成了蜂窩狀的圖案，從美國(guó)加州死亡谷的惡水盆地到玻利維亞的烏尤尼鹽沼。這些神秘的鹽結(jié)構(gòu)每年吸引著成千上萬(wàn)的游客。烏尤尼鹽沼的異形圖案還呈現(xiàn)在電影場(chǎng)景中，比如《星球大戰(zhàn)：最后的絕地武士》的粉絲就能認(rèn)出其是沙漠星球克瑞特星的背景。

到目前為止，解釋這些圖案起源及其標(biāo)志性形狀和大小的機(jī)制一直難以捉摸。人們認(rèn)為沙漠的鹽殼變干后形成了裂縫，這些圖案就在裂縫周圍生長(zhǎng)，但這并不能解釋它們一致的大小和形狀。

近日，一個(gè)由奧地利、英國(guó)以及德國(guó)機(jī)構(gòu)研究人員組成的跨學(xué)科聯(lián)合團(tuán)隊(duì)提供了一種更為合理的解釋。在《物理評(píng)論X》刊登的一項(xiàng)研究論文中，他們闡釋了地表下鹽水的對(duì)流如何導(dǎo)致了蜂窩狀鹽漠圖案的形成。一兩米的蜂窩狀圖案及其生長(zhǎng)速度也可以歸因于此。

鹽漠是世界上最美的景觀之一。論文第一作者、奧地利格拉茨工業(yè)大學(xué)交互系統(tǒng)與數(shù)據(jù)科學(xué)研究所物理學(xué)家拉塞表示這些多邊形總是有幾米寬，但沒(méi)有人能夠用它們獨(dú)特的大小和形狀來(lái)解釋這些圖案的起源。

為了弄清這一自然界的奧秘，拉塞和團(tuán)隊(duì)結(jié)合了物理學(xué)中的流體動(dòng)力學(xué)和地球科學(xué)中的地貌學(xué)的研究領(lǐng)域，從多個(gè)方向?qū)@一現(xiàn)象進(jìn)行了探究。他們開(kāi)發(fā)了一個(gè)在地表和地表下發(fā)生過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。這個(gè)基于流體動(dòng)力學(xué)和其他地球物理學(xué)原理的模型預(yù)測(cè)，一個(gè)典型的干涸湖床，由于上面的鹽分殘留，將在其表面附近形成一個(gè)重的富鹽流體層。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中觀察了鹽水如何在沙質(zhì)土壤中流動(dòng)，在數(shù)值模擬中分析了不同條件下圖案的長(zhǎng)度尺度，并在加利福尼亞包括死亡谷的兩次實(shí)地研究中觀察了自然界中的圖案，收集了樣本，以證明地下的水流與表面可見(jiàn)的圖案有關(guān)。

該團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)、模擬和實(shí)地研究中收集的證據(jù)都指向一致的圖景。圖案形成的驅(qū)動(dòng)機(jī)制是鹽殼下土壤中鹽水的對(duì)流或循環(huán)。出現(xiàn)這些圖案的鹽漠絕不是非常干燥的，高鹽分的地下水經(jīng)常直達(dá)鹽殼下方。身處于這些沙漠的人很快就能用手挖到水，盡管其太咸了，不能喝。當(dāng)這些鹽水在夏天的烈日下蒸發(fā)時(shí)，鹽就會(huì)留下來(lái)。這使得地表正下方的地下水更咸，因而比仍舊潛伏在下面的更淡的水更重。如果這種鹽度差異足夠高，靠近地表的較咸的水開(kāi)始向下沉，而較淡的水則從下面升起。類似于加熱器中的冷熱水循環(huán)對(duì)流，在地下形成含鹽水和低鹽水的對(duì)流卷。

單個(gè)的對(duì)流卷會(huì)具有圓形形狀，從而最大化其包圍的體積同時(shí)最小化其周長(zhǎng)。然而，當(dāng)許多對(duì)流卷在地面上彼此相鄰發(fā)展時(shí)，它們被“擠壓”在一起，產(chǎn)生六角形、蜂窩狀的圖案，非常咸的水會(huì)沿著這些圖案的邊緣下沉。在含鹽量特別高的地方，鹽在表面上的結(jié)晶也更多。隨著時(shí)間的推移，由此產(chǎn)生的地殼形成凸起的隆起和邊緣，形成蜂窩狀的鹽圖案。

“這是好奇心驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)研究的一個(gè)很好的例子。”拉塞說(shuō)，“大自然向我們展示了一道明顯而迷人的謎題，激發(fā)了我們的好奇心，從而促使我們?nèi)ソ鉀Q它——即使沒(méi)有任何直接進(jìn)一步應(yīng)用的可能性?！背藵M足好奇心以外，對(duì)鹽漠地形的了解還有助于預(yù)測(cè)有多少富含礦物質(zhì)的塵埃會(huì)從鹽漠表面被移走并進(jìn)入大氣層。這些塵埃反過(guò)來(lái)又在云的形成和礦物質(zhì)進(jìn)入海洋的輸送中發(fā)揮著重要作用。

我們所表明的是，存在一種簡(jiǎn)單的、合理的解釋，但隱藏在地面之下。共同作者、英國(guó)諾丁漢特倫特大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理學(xué)副教授木林說(shuō)：“表面圖案反映了土壤中鹽水的緩慢翻轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象有點(diǎn)像在一層薄薄的沸水中形成的對(duì)流單體。雖然很美，但刮過(guò)鹽漠的風(fēng)是大氣塵埃的主要來(lái)源，我們的研究結(jié)果將有助于了解沙漠環(huán)境中的這種過(guò)程?！?/p>

共同作者、英國(guó)利茲大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院副教授貝羅姆說(shuō)：“這些外星一般的景觀吸引了成千上萬(wàn)的游客，甚至成為了電影的靈感來(lái)源，然而，沒(méi)有人真正知道這些圖案是如何或?yàn)槭裁闯霈F(xiàn)的，以及為什么它們是一致的。我們的發(fā)現(xiàn)為了解這一不可思議的物理現(xiàn)象提供了重要見(jiàn)解?！?/p>

這項(xiàng)研究提供了令人信服的證據(jù)，證明鹽多邊形是這種對(duì)流機(jī)制的表面特征，倫敦大學(xué)學(xué)院數(shù)學(xué)家鄧肯·休伊特表示：“這是一個(gè)相當(dāng)漂亮的結(jié)果，它為一種廣泛觀察到的地質(zhì)模式提供了一種可能的解釋。”

參與這項(xiàng)研究的作者團(tuán)隊(duì)還包括來(lái)自德國(guó)馬克斯·普朗克動(dòng)力學(xué)與自組織研究所、哥廷根大學(xué)和英國(guó)南安普敦大學(xué)與牛津大學(xué)的研究人員。