沙丘移動的奧秘

狂風(fēng)為何沒有將沙丘吹散，反而塑造了沙丘波瀾般起伏的形態(tài)？對這個(gè)問題的解釋讓科學(xué)家費(fèi)了不少心思。

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(xué)府，商業(yè)、文化和教育資源都十分發(fā)達(dá)。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。

阿什杜德大沙丘的總面積相當(dāng)于12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場，占據(jù)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(dāng)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(jī)將它一點(diǎn)點(diǎn)搬走。

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

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(fēng)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(diào)，這歸因于那里特殊的地質(zhì)條件。此外，沙丘也可以形成于水下，甚至?xí)霈F(xiàn)在其他星球上。

沙丘是怎么形成的？答案很簡單：風(fēng)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(fēng)的吹動下能形成有序的沙丘？這個(gè)問題一直困擾著科學(xué)家。一些科學(xué)家認(rèn)為，沙丘的形成機(jī)制與“基本物理法則”有關(guān)，因此有必要盡快弄清楚。而且，隨著人類的生產(chǎn)開發(fā)不斷進(jìn)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(yù)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(xué)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(gè)沙漠最終只會僅剩幾個(gè)或只有一個(gè)超大沙丘。但在現(xiàn)實(shí)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(xué)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(gè)名為“沙丘賽場”的環(huán)形水箱，其中被注滿水并堆放了多個(gè)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(nèi)的水以極快的速度在水箱內(nèi)循環(huán)流動，并使水箱中的微型沙丘移動并互相碰撞。

當(dāng)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(yuǎn)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(gè)沙丘后會形成渦流，將位于其后方的沙丘推得越來越遠(yuǎn)。在現(xiàn)實(shí)的沙漠中也能見到類似的情況：上風(fēng)的沙丘會使經(jīng)過的空氣發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生湍流旋渦來推開位于下風(fēng)的沙丘。納塔莉解釋說：“下風(fēng)沙丘就像被上風(fēng)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(gè)巨型沙丘。

沙丘為何突然變大？沙丘神秘的成長過程同樣困擾著科學(xué)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(zhì)學(xué)家拉爾夫是最早研究沙丘成因的科學(xué)家之一。20世紀(jì)20年代，他帶領(lǐng)探險(xiǎn)隊(duì)乘坐輕型車輛，歷經(jīng)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(jīng)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(rèn)方位帶來極大挑戰(zhàn)。這些經(jīng)歷引發(fā)了拉爾夫?qū)ι城鸬暮闷嫘??；氐絺惗睾?，他用膠合板建造了一個(gè)風(fēng)洞模型，來觀察和拍攝沙丘的運(yùn)動方式，從而了解沙丘移動的機(jī)制。

如今，人造風(fēng)洞已經(jīng)無法滿足今天沙丘實(shí)驗(yàn)的要求，今天的科學(xué)家選擇在海灘上或通過人工平整后的沙漠區(qū)域進(jìn)行研究。我國也一直在開展沙漠實(shí)驗(yàn)。2007年，中國科學(xué)院蘭州分院的專家和法國科學(xué)家克萊門特一起，在內(nèi)蒙古騰格里沙漠開辟出了一片總面積約為16個(gè)足球場大小的試驗(yàn)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(gè)月后，他們再次來到試驗(yàn)區(qū)準(zhǔn)備進(jìn)行第一次測量，卻發(fā)現(xiàn)已經(jīng)來晚了：一座座高約1米的沙丘已經(jīng)立在試驗(yàn)區(qū)中。

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

2018年，德國科學(xué)家克勞斯等人發(fā)現(xiàn)了10厘米高的早期沙丘，這是科學(xué)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?yàn)樗⒎怯娠L(fēng)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(guān)重大研究沙丘的移動看似無關(guān)緊要，實(shí)則關(guān)系重大。全世界干旱和荒漠化問題日益嚴(yán)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(jīng)干涸，河床中的沙質(zhì)沉積物被風(fēng)揚(yáng)起，覆蓋了許多肥沃的農(nóng)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(dāng)?shù)厝瞬坏貌活l繁地將建筑物和道路從沙中挖出來。

納塔莉解釋說，筑墻來抵擋風(fēng)沙可能收效甚微。風(fēng)吹過，墻后會產(chǎn)生“低壓尾流”，這令風(fēng)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(yù)測沙丘的走向，然后在沙丘未來會經(jīng)過的路徑上種植植被來固定沙塵，同時(shí)避免將建筑物修建在沙丘的必經(jīng)之路上。如果不能做到上述兩點(diǎn)，那么居住在沙丘附近的人們?nèi)绻肜^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(cuò)的度假地，因?yàn)樗翘栂抵谐厍蛑馕ㄒ粨碛幸簯B(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(gòu)成，而沙丘中的沙粒則是冰凍的烴類。

其實(shí)，太陽系內(nèi)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(zhì)構(gòu)成，無論那里的重力和大氣構(gòu)成與地球有多么不同，顆粒運(yùn)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(xué)家能夠大概了解該天體的環(huán)境信息。

以冥王星為例，科學(xué)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(fēng)塑地貌。但近年來的觀測結(jié)果表明，冥王星表面的固態(tài)氮在白天可以升華為氮?dú)?，形成足以塑造沙丘地貌的?qiáng)風(fēng)。

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？