沙丘移动的奥秘

邵峰

以色列城市阿什杜德是一座不折不扣的现代化都市，那里屹立着大型购物中心、剧院、酒吧和高等学府，商业、文化和教育资源都十分发达。不过，这座城市也有自己的特殊之处。每逢周末，阿什杜德的许多市民便迫不及待地拎起桶和铁锹，驾车驶向城市东南角：这里有全世界规模罕见的城市大沙丘。

大沙丘上玩耍的孩子们

阿什杜德大沙丘的总面积相当于12个标准足球场，占据这座城市大部分的未开发土地，其中最高沙丘的高度相当于10层楼。如今，大沙丘正以每年3米的速度吞噬主城区。如果不把大沙丘处理掉，那么日后会给生活在城市的居民带来许多麻烦。若以现在的沙丘移动速度推算，50年后阿什杜德的主要街区就会被沙子掩埋。一些专家表示，如果不能找到治理大沙丘的方案，那么只能用推土机将它一点点搬走。

沙丘是如何出现的？一直以来，就连科学家也很难将沙丘形成的机制讲明白。

风塑造了不同类型的沙丘

沙丘的形成很神秘

说到沙丘，你可能会想到撒哈拉沙漠那无边无际的沙丘在大风吹拂下不断改变形状和大小的情景。还有很多别的沙丘值得观赏，例如毛里求斯被称作“七色大地”的沙漠景观拥有红色、橘色、紫色等多种色调，这归因于那里特殊的地质条件。此外，沙丘也可以形成于水下，甚至会出现在其他星球上。

沙丘是怎么形成的？答案很简单：风将沙粒吹到一块儿，沙粒慢慢堆叠起来就形成了沙丘。然而，如果要继续深究下去，你可能会问：为什么散乱的沙子在风的吹动下能形成有序的沙丘？这个问题一直困扰着科学家。一些科学家认为，沙丘的形成机制与“基本物理法则”有关，因此有必要尽快弄清楚。而且，随着人类的生产开发不断进入沙漠地带，以及受气候变化的影响，更多地区变得越来越干燥，解开沙丘的形成和移动之谜将有助于我们更好地预测沙漠走向。

通过比对同一区域不同年份的航拍照片，科学家发现大小沙丘都在持续移动：小沙丘移动速度较快（每年可移动最多100米），大沙丘移动速度较慢。在这种速度差异的作用下，照理说，移动更快的小沙丘最终会撞上大沙丘，并可能出现下列两种情况。第一种是，大沙丘和小沙丘彼此可能会交换各自的沙粒，最终两者的大小趋于接近。第二种是，大小沙丘可能会合并形成更大的沙丘。如果这样，那么整个沙漠最终只会仅剩几个或只有一个超大沙丘。但在现实中，这两种情况都没有发生。

为什么大小沙丘可以共存？

2020年，英国科学家纳塔莉等人发现，沙丘之间竟然能够“交流”，这也是大小沙丘能够共存的秘密。他们搭建了一个名为“沙丘赛场”的环形水箱，其中被注满水并堆放了多个間隔相等、大小和形状都相同的微型沙丘。在水泵作用下，水箱内的水以极快的速度在水箱内循环流动，并使水箱中的微型沙丘移动并互相碰撞。

当水箱中的水开始流动后，微型沙丘也开始逐渐移动。一开始，靠近水泵的沙丘移动得比远离水泵的沙丘快，但没过多久，靠近水泵的沙丘的移动速度开始放慢，沙丘之间的移动速度逐渐统一，仿佛沙丘之间能够交流。更有趣的是，水在流过一个沙丘后会形成涡流，将位于其后方的沙丘推得越来越远。在现实的沙漠中也能见到类似的情况：上风的沙丘会使经过的空气发生偏转，产生湍流旋涡来推开位于下风的沙丘。纳塔莉解释说：“下风沙丘就像被上风沙丘踢了一脚似的。”这就能解释为什么众多沙丘不会合并成一个巨型沙丘。

为什么沙漠中只有沙波纹和一米以上的沙丘？高度介于这两者之间的沙丘去了哪里？

沙丘为何突然变大？

沙丘神秘的成长过程同样困扰着科学家。在沙漠中，既有起伏仅有几厘米高的沙波纹，也有高1米以上的沙丘，但找不到高度介于两者之间的沙丘。为什么沙丘的高度之间有如此大的断层？

英国地质学家拉尔夫是最早研究沙丘成因的科学家之一。20世纪20年代，他带领探险队乘坐轻型车辆，历经数年，穿越了埃及和利比亚的大小沙漠。这期间，柔软的沙丘经常让他们的车辆陷入其中无法移动，此外，不断移动的沙丘也为他们辨认方位带来极大挑战。这些经历引发了拉尔夫对沙丘的好奇心。回到伦敦后，他用胶合板建造了一个风洞模型，来观察和拍摄沙丘的运动方式，从而了解沙丘移动的机制。

如今，人造风洞已经无法满足今天沙丘实验的要求，今天的科学家选择在海滩上或通过人工平整后的沙漠区域进行研究。我国也一直在开展沙漠实验。2007年，中国科学院兰州分院的专家和法国科学家克莱门特一起，在内蒙古腾格里沙漠开辟出了一片总面积约为16个足球场大小的试验区，希望在这里观察沙丘形成过程的初期阶段，从而了解沙丘是如何突然变大的。将沙丘完全平整后，他们离开了。三个月后，他们再次来到试验区准备进行第一次测量，却发现已经来晚了：一座座高约1米的沙丘已经立在试验区中。

沙漠中沙粒的三种运动方式

2013年，克莱门特和中科院团队再次奔赴腾格里沙漠。这次他们平整出了一块比上次试验区小的试验区，并从一开始便利用激光扫描仪对试验区进行频繁而细致的测量。他们的努力终于换回了他们想要的数据。虽然该研究还有一些细节需要敲定，但科学家已经知道沙丘是如何突然变大的。

风对沙粒的搬运

2018年，德国科学家克劳斯等人发现了10厘米高的早期沙丘，这是科学家首次观察到自然条件下形成的初期沙丘。克劳斯为其取名“巨涟漪”。然而，巨涟漪并非常见的沙丘类型，因为它并非由风吹形成，而是由一些大沙粒从沙丘上滚落、撞击并扰乱底部平整的沙面所形成的。

研究沙丘事关重大

研究沙丘的移动看似无关紧要，实则关系重大。全世界干旱和荒漠化问题日益严峻。以北非国家摩洛哥为例，该国国土面积的93%受干旱气候影响，全国超过1300万人口受沙漠化影响。摩洛哥的不少河流已经干涸，河床中的沙质沉积物被风扬起，覆盖了许多肥沃的农田，使耕地成为新的沙漠。在西非毛里塔尼亚的首都努瓦克肖特，当地人不得不频繁地将建筑物和道路从沙中挖出来。

干涸的河流让摩洛哥人民陷于水荒

纳塔莉解释说，筑墙来抵挡风沙可能收效甚微。风吹过，墙后会产生“低压尾流”，这令风中携带的沙子更容易沉积下来，并将墙后方的区域掩埋起来。因此，最理想的控沙方案是先建模预测沙丘的走向，然后在沙丘未来会经过的路径上种植植被来固定沙尘，同时避免将建筑物修建在沙丘的必经之路上。如果不能做到上述两点，那么居住在沙丘附近的人们如果想继续居住下去，或许就只能拎上桶和铁锹去搬沙。

太空沙丘

对于太空旅行者而言，土星最大的卫星泰坦（土卫六）可以说是不错的度假地，因为它是太阳系中除地球之外唯一拥有液态湖泊的星球。此外，泰坦表面还有许多沙丘。不过，泰坦的湖泊由液态甲烷构成，而沙丘中的沙粒则是冰冻的烃类。

其实，太阳系内许多天體表面都有沙丘地貌。无论这些太空中的沙丘由什么物质构成，无论那里的重力和大气构成与地球有多么不同，颗粒运动所遵守的基本物理规律是相同的。通过观察这些天体的沙丘，科学家能够大概了解该天体的环境信息。

泰坦表面的沙丘和河流

以冥王星为例，科学家于2018年得知冥王星的表面存在沙丘。冥王星仅有极其稀薄的大气，因此很难想象其上能有任何风塑地貌。但近年来的观测结果表明，冥王星表面的固态氮在白天可以升华为氮气，形成足以塑造沙丘地貌的强风。