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

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」。

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。

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！

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。

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。

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

• Wake induced long range repulsion of aqueous dunes, Physical Review Letters (2020). doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.054501