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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

linjunJR_96
・2020/04/10 ・2408字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 506 ・六年級
  • 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:

圖/研究圖片

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

文章難易度
linjunJR_96
22 篇文章 ・ 241 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。


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推開地獄之門?冰島開挖全球首座「火山岩漿井」,開啟地球科學新篇章!

安比西林_96
・2021/10/20 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

水井、石油井和天然氣井大家都知道,但你有聽過「岩漿井」嗎?最近,冰島著手開挖全球第一座「火山岩漿井」。這似乎是一個瘋狂的主意,滾燙的岩漿可高達攝氏上千度,還可能伴隨著可怕的火山災害。不過這個前所未有的大膽計劃,不僅具備新興可再生能源的巨大潛能,更有望開啓地球科學的新篇章!

冰與火之地——冰島,100% 依靠可再生能源的國家

落在北極圈邊緣的冰島(Iceland),擁有壯闊冰川與絢麗極光,同時也是地球上火山活動最頻繁的地區之一,可謂名副其實的「冰與火的國度」。這座大約 1500 萬年前才因火山活動形成的年輕島嶼,因位在大西洋中洋脊[註1]之上,受到歐亞大陸板塊與北美洲板塊往各自方向的拉扯,而有著 32 個活躍的火山系統,且平均每 4 年就會發生噴發。

圖/wikimedia

除了令人屏息的天然極地美景,冰島更是全球綠能國家中的模範生。得天獨厚的地理條件,讓冰島超過 99% 的電力都是依靠可再生能源,其中 73% 的電力源自水力發電,另 26.8% 則來自地熱能。在可再生能源,尤其是地熱能的開發應用技術上領先世界的冰島,在地發電厰不單是觀光旅游的賣點之一,更吸引了不少國外的投資入駐,以降低企業的碳足跡。

延伸閲讀:利用地球的熱情發電吧:深層地熱發電

通往「地獄」之門,也是推開科學新研究的大門

地熱能開發技術純熟的冰島,在 2009 年的一次鑽探中,卻遇到了意想不到的變故:原本想開挖深達 4500 公尺下的熱水,沒想到卻在 2100 公尺處挖到了一個岩漿庫[註2]!這此的開挖位於冰島北部的 Krafla 火山口附近,一個較小火山口 Víti (冰島語中正是「地獄」之意)邊上。

大量的蒸汽與玻璃從鑽孔中噴湧而出,在鑽探套管報廢之前,還觀測到破紀錄的 900°C 高溫。原先的計劃被迫喊停,但科學家卻從中看到進行地科研究的大好機會。

2009 年時,原先要鑽探地熱井的冰島團隊,卻意外挖到了一口岩漿井。圖/science.org

這起事故,促成了克拉夫拉岩漿試驗臺( Krafla Magma Testbed,簡稱 KMT)研究計劃的誕生。時隔多年籌備,這個備受矚目與期待的計劃,在國際大陸科學鑽探計劃(International Continental Scientific Drilling Program)與多個科研機構的支持資助下,終於於今年展開。這一次,科學家們帶著更堅實的鑽探工具,與明確的鑽研目標,要來敲開通往「地獄」的大門。

「我們曾去過火星,也到過金星,但我們從未觀測過地表下的岩漿。」意大利國家地理物理與火山學的研究主任 Paolo Papale 如是説道。

過去火山學家一直缺乏直接觀測地底岩漿的機會,只能仰賴地震儀、GPS 感測系統和雷達衛星,來推測岩漿的運動。儘管他們可以調查噴發到地表的熔岩,但這些已固化的樣本,早已失去大部分原本所含有的氣體。這些氣體是驅動火山噴發,影響岩漿原始溫度、壓力與成分的關鍵。

自 2009 年與這口岩漿井打交道以來,科學家確認它的脾氣相當溫和,並無噴發的太大風險,加上位處偏僻無人居住之地,因此非常適合進行研究。未來若從 KMT 取得新鮮熱辣的岩漿樣本,將可用來驗證過去科學家對於岩漿的認知是否屬實。

地底下的岩漿,揭開大陸形成的秘密

地球大部分海床,都是由玄武質熔岩[註3]構成,冰島也不例外 。然而組成大陸地殼的花崗岩,卻是由另一種更粘稠、富有二氧化矽的流紋質岩漿而來,而 KMT 岩漿井底下的就是流紋質岩漿。

為什麽構成海床與大陸地殼的熔岩種類有所差異?科學家相信,探究以玄武岩為主要構成的冰島上的流紋質岩漿樣本,將揭秘這個地質科學中很基本,卻未解決的問題。

要長期監測岩漿井的溫度、氣壓、化學成分等參數,實實在在地挑戰人類科技的極限,因為靠近岩漿處的溫度可是超過攝氏一千度。鑽探團隊正測試各種能耐高溫及膨脹的器械,而科學家也在研發各種可抵抗高溫高壓的新型偵測器。

這些研究成果不僅能用於地球科學,有朝一日更可能造福太空探索,如被運用在登陸太陽系中環境最惡劣的金星上。

水手 10 號拍攝的金星,由可見光與紫外光影像疊合而成,可見其表面被一層厚厚的硫酸雲遮蓋。圖/維基百科

一口岩漿井,將成為世界重要的火山學中心

KMT 引領科技的創新,也為冰島的地熱能產業帶來突破的機會。越靠近熾熱的岩漿,利用地熱能發電的效率便會增倍,這麽一來便可減少為了滿足能源需求而開挖的地熱井數量,降低對周圍環境造成的衝擊。光是在 2009 年意外挖掘的這一口岩漿井,就具備可以供應一整個小鎮電力的潛能。

開挖岩漿井時,需要注入大量的水來冷卻與潤滑鑽頭,這個對火山系統進行擾動的過程,也提供科學家一個瞭解火山運動的絕佳觀測機會。進行鑽探後,地震波速度發生的改變,也可透露岩漿流動的範圍。透過探究這些細微的火山運動變化,科學家能更好預測火山的噴發,讓我們能建立更整全的火山預警系統。

「十年後,這裏將可能成為火山學的中心。」冰島地熱研究中心科學主管 Ottó Elíasson 這麽認為。觀察地底下流動的岩漿,就像在瞭解地球的脈動,可以告訴人類更多關於這顆星球的故事,更能帶領我們走向更多科學新的可能性。

註釋

  1. 大西洋中洋脊(Mid – Atlantic Ridge,又稱中大西洋帶),是橫跨大西洋及北冰洋、大部分地區位於海底的山脈。
  2. 岩漿庫(Magma chamber,又稱岩漿房),是地球表面下一至十公里處由熔岩和火山灰氣體形成聚集之處。由於其內的岩漿密度比周圍的母岩來得低,因此會產生使岩漿往上移動的浮力。如果出現可讓岩漿通往地表的管道,便會造成火山噴發。
  3. 玄武岩(basalt),由基性岩漿噴發凝結而成,主要成分是矽鋁酸鈉或矽鋁酸鈣,是一種細粒緻密的黑色火成岩。玄武岩質熔漿被認為源自地球的上部地函。

延伸閱讀

參考資料

  1. Forget oil or water. In Iceland, well diggers seek to tap a volcano’s magma
  2. VisitIceland – Geography of Iceland
  3. VisitIceland – Renewable energy
  4. Magma chamber
  5. Krafla Magma Testbed
  6. Rhyolite
  7. Basalt

安比西林_96
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本職為生態環境領域的可撥煙酒生。 不定時掉落科普文章。 大家一起嗑科科(❍ᴥ❍ʋ)
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