地上的沙丘不說話,卻還是能互動?藏在沙漠神秘圖騰的秘密

  • 文/林祉均 就讀清大物理系的斜槓理工男,喜歡學習與嘗試新事物。目前對科學和翻譯有點上癮,看到 Netflix 上奇怪的字幕翻譯會皺眉頭。

我們一般把沙丘看成非常機械性、只會隨著風吹或海流變化的景象。這次介紹的研究,可能會打破你的想像──沙丘之間,其實是會「互動」的喔!

試著想像一下:把沙漠裡一座又一座的沙丘,想成一群草原動物,可以成群結隊地在沙漠中遷徙、互動,形成獨特的群體模式。沒錯,我們今天要告訴你的就是一段關於愛與沙丘的故事,沙丘究竟是如何互相吸引、排斥,形成壯觀的沙丘群?

沙丘獨特的群體模式就像是成群結隊的草原動物。圖/wikimedia

沙丘竟會排排站?空拍圖片現端倪

乍看之下,「沙丘」只是平凡無奇的地質景觀,但如果你把視角轉換一下,從空拍圖來看,就能發現上千個沙丘竟然會依照大小,整齊劃分成數個帶狀區塊,形成綿延數十公里的奇特景象。仔細觀察,你會看見這種景象有以下特點:

  • 同一區塊的沙丘,大小十分相近
  • 某些區塊完全沒有沙丘

沙丘群空拍圖。從上到下依序出現小沙丘、無沙丘、小沙丘、大沙丘、無沙丘的區塊,彼此間的界線十分清楚。圖/P. Hersen et al. Phys. Rev. E 69, 011304 (2004).

這種奇觀不只會在平坦無際的沙漠中出現,也能在河床和海底,甚至是外星球的沙漠中觀察到。

沙丘追追追,追到了會不會融在一起?

而除了那清楚到有些不尋常的分界,沙丘間還藏著另一項令人們困惑的謎團──沙丘追逐戰

當迎風面的沙子被風吹起後,會在背風面堆積,因此在空曠開闊的環境中,沙丘並不會靜止不動,而是像一隻笨重的動物,順著風向慢慢「遷徙」。

水流從此圖左側來,可以將左側想像成迎風(水流)面,可以發現沙子會在背風面堆積。圖/University of Cambridge

在這個遷徙的過程中,地質學家發現,身形嬌小的沙丘會以較快的速度移動,而身形龐大的沙丘移動速度則較為緩慢。沙丘的大小和它的移動速度,呈現幾乎完美的反比關係。

小沙丘會以敏捷的速度追過大沙丘。圖/giphy

不過,如果真的是這樣,那敏捷的小沙丘應該會不斷追上前方的大沙丘,合而為一,最後留下少數的超級巨無霸沙丘。然而,我們實際觀察到的沙丘卻是巨大的群落,個體大小錯落有致,並沒有不斷融合的現象啊?兩種觀察互相矛盾,究竟是哪裡出了問題呢?

一個可能的解釋是:或許相撞的沙丘不會合而為一,而是像撞球一樣相撞並彈開,分裂成兩個大小相近的沙丘。

這種猜想在電腦模擬中看起來可行,但因為所需空間過大,難以在實驗室內進行長時間的觀察。

真相只有一個!蓋個水槽測測看

劍橋大學的研究團隊決定接受挑戰、解開謎團。他們先架起環形的水槽,加上槳片,讓水槽變成一個水流持續繞行的河道。接著,只要在水槽底部放上人工沙丘,就能開始實驗啦!

研究團隊以等距槳片驅動水流,讓水流保持流動。圖/研究圖片

在一開始,研究人員在水槽裡放置許多相同大小、相同形狀的沙丘,希望能夠一次獲得大量的觀察數據。但沒想到,這些沙丘竟然開始互相遠離,這表示沙丘之間可能存在某種未知的交互作用。

為了證實這項推測,研究人員留下了兩個沙丘,來觀察兩者之間產生的變化。我們分別叫它們上游沙丘(藍色)和下游(紅色)沙丘。

結果,神奇的事發生了!儘管兩個沙丘的大小完全相同,下游的沙丘卻以更快的速度順流移動,逐漸遠離上游的夥伴。沙丘們看起來就像是知道撞擊即將發生,因而自行調整移動速度。

有點兒難想像是嗎?讓我們用張圖來理解看看吧:

兩個大小一樣的沙丘的位置(橫軸)隨時間(縱軸)變化。可以看到:上游的藍色沙丘大致等速地順流而下;下游的紅色沙丘速度卻較快,直到兩者遠離後慢慢減速,逐漸達到平衡。由此可見,沙丘在短距離內會對下游的夥伴產生排斥的效果。

不要過來!像磁鐵相斥的沙丘

進一步的影像分析發現:水流經上游沙丘後會在後方形成亂流,而這個亂流在短距離內會造成下游沙丘加速移動。也就是說,只要兩個沙丘靠得太近,下游沙丘就會加速遠離上游沙丘,表現出磁鐵般的互斥力。

水流經上游沙丘後會在後方形成亂流,造成下游沙丘加速移動。圖/泛科學自製

那如果大小不同呢?研究團隊試著將大沙丘擺在小沙丘前方,而結果和先前一致。在小沙丘追撞大沙丘之前,大沙丘彷彿受到了一股神祕的排斥力,開始加速遠離小沙丘,最後兩者井水不犯河水,穩定地等速移動。這個現象解釋了沙丘為何不會相撞,也某種程度上反駁了原本的「撞球」說法。

尺寸較小的藍色沙丘移動速度較快,原本快要追上紅色沙丘。但兩者靠近時,紅色沙丘開始加速遠離,免於產生碰撞。圖/研究圖片

這項研究成果登上了頂尖的物理期刊《Physical Review Letters》(沒有錯,除了黑洞和半導體之外,沙丘也是理論物理的防守範圍喔),讓我們對於沙丘的運動又多了一些理解。

可別小看沉默的沙丘,當它們遷徙到沙漠的邊緣,有可能會對鄰近的城鎮帶來危害,而沙丘相關的研究,則能協助解決類似難題。未來,研究團隊期待能透過衛星影像等方式獲得長期觀測資料,進一步確認沙丘移動的情形。

參考資料


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