神秘“海底怪圈”背后的流體力學智慧1)

陳怡純 金梓謙 姜 楠 田海平

*(太原理工大學力學國家級實驗教學示范中心，太原 030024)

?(天津大學力學系，天津 300072)

1 神秘“海底怪圈”的發(fā)現(xiàn)

早在20 世紀90 年代，一位名叫Yoji Oikata的日本攝影師在大約 24 m 深的海床上發(fā)現(xiàn)了一個凹凸有致的圓形地貌（圖1），直徑2 m 左右。因與陸地上的“麥田怪圈”一樣奇特，所以當時這個神奇的海底形貌被稱為“海底怪圈”。

圖1 神秘“海底怪圈”

“海底怪圈”是一種異常精致的圈形放射狀圖案：外部是由沙脊和凹槽構成的雙重邊緣，內(nèi)部是一個圓形區(qū)域，內(nèi)部和外部又通過輻射槽緊密連成一個整體。整個結構內(nèi)外錯落有致，凹凸有序，層次明顯，展現(xiàn)了高級的數(shù)學和幾何美學，極具觀賞價值和藝術性。更加奇特的是，“海底怪圈”的內(nèi)部圓形區(qū)域會在幾天后被細沙填實填高，且外部沙脊最高處多出現(xiàn)小貝殼點綴。如此神奇美麗的地貌，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)立刻引起了人們的熱議：這究竟是海底特殊的流動現(xiàn)象導致？還是某種生物所為？亦或者是人類甚至外星人刻意所造？這些猜想當年都曾盛行一時，卻又都無法印證。

直到2012 年，“海底怪圈”的創(chuàng)造者才被“當場抓獲”，它是一種先前從未被發(fā)現(xiàn)的身長可達20 cm 的河豚——白斑窄額鲀。所謂的“海底怪圈”原來是這種雄性河豚魚的“婚房”，而白斑窄額鲀也絕對是自然界的能工巧匠，掌握高超的建造本領（圖2）。在繁殖季節(jié)它會不分晝夜地連續(xù)工作7～9 天，甚至更長時間，使用身體和魚鰭將沙粒撥向兩側（圖2(a)）來建造這個直徑約為2～3 m 的“海底怪圈”作為繁衍后代的巢穴。在建造工作的最后，這條小魚會認真地清理巢內(nèi)的雜物（圖2(b)），并四處收集貝殼安放在外圈沙脊的頂端[1]（圖2(c)）。這頗具儀式感的貝殼也正式宣布了這個精美巢穴的竣工。白斑窄額鲀也順理成章地被“推舉”為“自然界偉大的藝術家”。

圖2 白斑窄額鲀的建造本領

當雄性河豚完成了所有的建造工作，這個精美絕倫的圖案就會吸引雌性河豚前來（圖3(a)）。圖案中的凹槽越多，雄魚獲得交配的幾率就越大[2]。配對成功后雌雄完成交配（圖3(b)），雌河豚將魚卵產(chǎn)在巢穴正中央后離開，雄性河豚則留下來負責驅趕入侵者、松動沙土給魚卵透氣等看護工作。整個期間，在海底洋流作用下，巢穴內(nèi)部圓形區(qū)域會被細沙慢慢填實填高（圖3(a)），巢穴外部的雙重環(huán)形邊緣也逐漸被侵蝕(圖3(c))。伴隨著魚卵的成功孵化，這個神奇的地貌也結束了它的使命。

圖3 巢穴用途

一條十幾厘米長的小魚，在復雜的海底環(huán)境下耗費巨大精力來完成這一浩大工程，難道僅僅是為了建造美麗的“新房”來求偶嗎？帶著這個疑問，我們先簡單介紹其他魚類建造的巢穴。

2 魚類巢穴與繁衍

許多魚類的筑巢行為是完成繁衍的重要環(huán)節(jié)。因個體差異和所處環(huán)境不同，不同魚類筑巢設計和使用的材料往往相差巨大。羅非魚、慈鯛魚、隆頭魚和小須美鱥無疑是魚類中筑巢的高手。羅非魚的巢穴像隕石坑洞一樣，繁殖期就會在水下形成密密麻麻的羅非魚巢穴群，當河的水位下降才慢慢浮出水面，露出真容，見圖4(a)。近期，南極海域發(fā)現(xiàn)的冰魚也有類似的筑巢行為（圖4(b)）。在沙質水底，慈鯛魚和隆頭魚則會將泥沙堆積成為一個火山口形狀的沙坑作為巢穴（圖4(c)和圖4(d)）。

圖4 其他魚類巢穴

而棲息于多巖石河流或流動潭水的小須美鱥（圖4(e)）是一個特殊的存在。因其體型較大，它會利用石塊堆積成一個巨大的“金字塔”，然后在遠離水流干擾位置制造一道小壕溝供雌魚產(chǎn)卵。

對于以上卵生繁殖的魚類而言，溫度、含氧量、水質、水流、天敵等都會直接影響魚卵繁殖率和魚苗的生存幾率。隕石坑狀的魚巢，和我國山西平陸、河南陜縣等地依舊保留的 “地窨院”（圖5）結構相似。盡管地窨院“冬暖夏涼”，但院內(nèi)難進自然風，空氣流通不暢。同樣，隕石坑狀的魚巢會造成內(nèi)部水質循環(huán)不佳?；鹕娇跔畹聂~巢，盡管離開了水底，但巢穴內(nèi)水質循環(huán)過程并沒有得到根本改善。于是，像羅非魚、慈鯛魚等魚類，雌魚口含魚卵離開巢穴，進行口孵，環(huán)境相對穩(wěn)定適宜，繁殖成活率高。

圖5 地下四合院——地窨院

非口孵式魚類，魚卵的孵化直接受外界環(huán)境制約，而這其中，水體的含氧量是一個重要指標。一般而言，水循環(huán)好的地方含氧量高，水質自然也好，但水流太急會把魚卵沖走，兩者必須達到微妙的平衡。對于有些魚類，若是需要保持魚巢內(nèi)水質新鮮干凈，更是需要雄魚時常擺動魚鰭保證外界有足夠多的新鮮水流入巢穴，看護成本較高。小須美鱥構建的石碓金字塔巢穴盡管笨拙，但位于小壕溝內(nèi)的魚卵既不會被沖走，水亦可以流過松散石塊的縫隙使水質得到了保證，進而實現(xiàn)了平衡。而白斑窄額鲀是怎樣解決這個問題的呢？

3 神秘怪圈背后的流動奧秘

隕石坑狀或火山口狀魚巢的環(huán)形結構可以有效阻礙水流對巢穴內(nèi)部的侵擾，但水質無法實現(xiàn)有效的循環(huán)。讓人驚嘆的是，白斑窄額鲀建造的巢穴十分巧妙地實現(xiàn)了高水質和低流速的平衡，雄性白斑窄額鲀后期主要負責防范天敵即可。下面介紹對河豚巢穴作用的幾點認識。

3.1 阻礙洋流沖擊

白斑窄額鲀?nèi)π畏派錉畛惭ǖ碾p重環(huán)形邊緣結構首先對海底洋流造成了阻礙，避免了海底洋流對巢穴中心區(qū)域的直接侵擾。同時，在徑向上存在的24～36 道輻射槽，使得海底洋流又可以輕松穿過雙重環(huán)形邊緣阻擋并進入巢穴內(nèi)部。這樣的設計解決了巢穴內(nèi)部水的循環(huán)問題，但似乎又削弱了巢穴對魚卵的保護效果，是這樣嗎？

這一點看似矛盾卻又完整地統(tǒng)一：如圖6 所示，當海底洋流到達河豚巢穴外圍時，受雙重環(huán)形邊緣結構的阻隔，近壁只有少量水流（圖6 中用4 股紅色水流示意，紅色代表水流來流速度較大）進入輻射槽，多股流體在巢穴圓形中心區(qū)域相遇、沖擊并形成阻滯區(qū)，示意的水流顏色由紅色變?yōu)樗{色，代表中心區(qū)域流體的水流速度下降。可見，通過輻射槽進入巢穴中心的是少量流體且中心處的流向速度大幅降低，結果是促進了巢穴中心水平方向的流體交換，且避免了中心處魚卵遭受海底洋流侵襲。

圖6 輻射槽的引流作用

3.2 篩選細沙在卵床附近沉積

我國流體力學家陸士嘉先生用一句“流體經(jīng)不住搓，一搓就有了渦”道出了湍渦[3]的流動本質。宋代蘇軾在《百步洪二首》中用“四山眩轉風掠耳，但見流沫生千渦”描述在湍急的河水中行舟時的驚險：輕舟如同脫手的箭矢一般隨波濤動蕩，而四面八方的山水仿佛都在旋轉?？梢姕u是流動的普遍現(xiàn)象。

自然界中河流的奔流過程總會產(chǎn)生大大小小的渦旋（圖7(a)）。這些渦使流體的動量、質量、能量的傳遞能力大幅提高[4]，使得渦很容易將其他物體“卷入”其中。正是因為如此，1539 年古代航海地圖Carta Marina 就標記了挪威附近的渦流（圖7(b)），以免其他船只遇險。渦能夠將船只卷入其中，自然也能卷起河床上的沙粒。流動中產(chǎn)生的渦旋強度不同，其所卷起的泥沙粒徑也不同，但只有那些細小的顆粒會隨著渦旋一起向前運動，而粒徑越大的泥沙顆粒在渦旋遷移運動中越容易沉積。當渦旋強度變?nèi)?，運動變緩，甚至慢慢消失時，細小的泥沙也逐漸沉積下來。

圖7 渦的卷吸現(xiàn)象

窄額鲀正是利用了這一原理來篩選卵床附近所需要的細沙。如圖8 所示，海底洋流經(jīng)過外圈沙脊會形成渦旋，使得沙粒卷吸進渦旋而一起向前運動。渦旋沿著輻射槽向中心區(qū)域運動過程中，大而粗的顆粒會首先沉積，細軟的小沙粒會隨渦旋向中心移動。當在中心區(qū)域相遇時，由左右兩側分別產(chǎn)生的渦結構會因為旋向相反而慢慢抵消。渦旋消失后，同時在這一低速環(huán)境下，細軟顆粒在重力作用下快速沉積，窄額鲀就獲得了細軟的產(chǎn)卵沙床[5]。

圖8 渦旋運動對細沙的篩選

3.3 增強巢穴內(nèi)上下層水體交換

當松軟的細沙在巢穴中央沉積以后，這些泥沙會在巢穴中央堆積為一個小沙丘（圖3(c)）。為方便討論，我們將海底洋流簡單分為3 層：貼近海床流動的近地層，相對遠離海床的中間層，遠離海床不受河豚巢穴影響的遠地層（圖9）。近地層的水流被輻射槽引導流向中心區(qū)域，受中心小沙丘的影響，會在小沙丘邊緣產(chǎn)生斜切向上的流動趨勢。同時由于近地層的水流在巢穴中央?yún)R集，形成巢穴中央低速高壓區(qū)域（圖9 淺藍色區(qū)域），中間層的來流也會繞過這一低速高壓區(qū)域而產(chǎn)生向上的流動。受此影響，巢穴中央的低速高壓區(qū)域流體也會產(chǎn)生向上流動，將巢穴中央?yún)^(qū)域的細菌和其他有害物質帶出，最終由上方遠地層的水流帶走，從而阻止細菌和有害物質囤積，進一步維持了巢穴水質清潔?？梢姡∩城鹪诖龠M上下層水質循環(huán)方面，起了重要作用，進一步為魚卵孵化提供了良好的外界水環(huán)境。

圖9 小沙丘作用示意圖

3.4 貝殼不單是裝飾

不難看出，上述的各種作用是以巢穴外部兩層環(huán)狀邊緣結構存在為前提的。為與洋流的侵蝕作用賽跑：窄額鲀在建造巢穴時需要在一周或更長的時間里連續(xù)不斷地進行高強度工作；而在巢穴建設完成以后，它會盡量在外環(huán)多個沙脊的最高點放置貝殼（圖2(c)），以減緩洋流對外圍沙脊的侵蝕。

4 結語

海底“神秘怪圈”是由雙重環(huán)形邊緣和輻射槽構成的異常精美的圈形放射狀圖案，是雄性白斑窄額鲀用于求偶的巢穴。其作用也遠非表面看到的這么簡單，該巢穴結構能在海底洋流作用下在中央產(chǎn)卵區(qū)域沉積出細軟的魚床，并有效地削弱海底洋流對中央產(chǎn)卵區(qū)域的水流沖擊，同時促進了巢穴內(nèi)水平和豎直方向的水體交換，保障了魚卵孵化時的水質?？梢姡鳛樽匀唤缒芄で山车陌装哒~鲀是何等的智慧，它不僅是優(yōu)秀的美學家、建筑學家，還是了不起的流體力學家。

小小的河豚使我們得以再次窺探自然界的神奇與智慧，也不禁使我們思考：人類的深?；厥欠褚呀?jīng)開始籌劃，白斑窄額鲀所創(chuàng)造的海底地形結構是否可以借鑒到海底基地的建設中？盆地氣候特點是否與白斑窄額鲀巢穴有相似的地方？如今高樓林立的城市空氣污染嚴重，污染物擴散緩慢，城市地表結構的大設計和大布局是否該引入到城市的發(fā)展規(guī)劃中？這條小魚所建造的圈形放射狀圖案背后，是否還隱藏著更多秘密？

致謝本文引用了大量來自網(wǎng)絡以及其他文獻的相關圖片，只作為科普文使用，在此表示感謝。