盐漠是地球上最极端、最荒凉的地⽅之⼀,它就仿佛外星之地,包含着许多奇异的景观。它们甚⾄被⽤在了科幻电影中,⽐如《星球⼤战:最后的绝地武⼠》中沙漠星球克瑞特的背景。盐漠中的那种类似蜂窝状的图案,也是每年吸引着数以万计的游客的原因之⼀。这些神秘的盐碱结构⼤多呈现五边形和六边形,⼤⼩很相似,它们出现在世界各地的盐漠中,⽐如美国加利福尼亚州死亡⾕的恶⽔盆地和玻利维亚的乌尤尼盐湖。
这些盐碱多边形出现在地下⽔蒸发速率远超过降⽔速率的地区。在这些地⽅,地表的蒸发被来⾃更远处的地下⽔的持续流动所平衡。这些⽔上升到地表,导致连续性的蒸发,甚⾄在没有降⽔的情况下,也会留下盐碱的残留物。但问题在于,为什么这些残留物会形成脊,勾画出多边形的图案?甚⾄在当地的地质、盐化学和环境条件各有不同的情况下,这些图案都如此相似?
⼀直以来,这些图案的起源及其标志性的形状和⼤⼩的形成机制⼀直难以得到解释。直到近⽇,⼀组跨国研究团队通过实验和模拟分析,⼀同提出了⼀种更合理的解释。在《物理评论X》上,他们描述了盐⽔在地下的对流是如何让这种蜂窝状的盐图案形成的。这些图案的恒定尺⼨和⽣⻓速度,同样可以归因于此。
对流的塑造
之前有⼈认为,是盐漠的盐壳变⼲形成裂缝,导致了这种图案在裂缝周围⽣⻓。
还有⼈认为,是盐壳不断增⻓,直⾄缺乏空间⽽发⽣弯曲,从⽽形成了这些图案。然⽽,这两种说法都不能解释它始终如⼀的尺⼨和图案——它们都在⼀到两⽶之间,呈蜂窝状。为了弄清这个⾃然之谜,作者结合了物理学中的流体动⼒学和地球科学中的地貌学的研究领域,从多个⽅向调查了这⼀现象。
他们在实验室实验中观察了盐⽔如何在沙质⼟壤中移动,在数值模拟中分析了不同条件下模式的⻓度尺度,并在加利福尼亚的两项实地研究中观察了⾃然中的模式,收集了样本,并发现地表可⻅的模式与地下的⽔流有关。
研究⼈员在实验、模拟和实地研究中收集的证据,都指向了同⼀种的解释:盐壳下的⼟壤中盐⽔的对流或循环,是这些图案形成的驱动机制。出现这些图案的盐漠不是完全⼲的,⾼盐度的地下⽔实则往往能直达盐壳之下。
当这些盐⽔随后在炎热的夏季阳光下蒸发时,盐就会留下来。这使得在地表下的上层地下⽔盐度更⾼,因此⽐下⾯的淡⽔更重。如果这种盐度差异⾜够⼤,靠近地表更咸的⽔便会开始向下沉,⽽更淡的⽔从下⾯升起。这就类似散热器中的冷热⽔循环对流,咸⽔和更淡的⽔在地表下形成了对流循环。
单⼀的对流循环会出现⼀种圆形的形状,这样可以最⼤限度地增加对流包围的体积,同时让周⻓最⼩。然⽽,当许多相邻的对流在地上发展时,它们就会被“挤压”在⼀起,形成六边形、蜂窝状的图案,沿着图案边缘,盐度很⾼的⽔向地下沉。在含盐量特别⾼的地⽅,盐也在表⾯结晶得更多。随着时间的推移,由此产⽣的壳便形成了凸起的峰和边缘,形成了蜂窝状的盐图案。
好奇⼼的驱使
这是好奇⼼驱使的基础研究的⼀个例⼦。⾃然向我们展示了⼀个迷⼈的谜题,刺激了科学家的好奇⼼,促使我们去解开它。除了满⾜好奇⼼之外,对盐漠地形的了解还有助于预测有多少富含矿物的尘埃会从盐漠表⾯脱落并被卷进⼤⽓。⽽这些尘埃在云的形成和矿物进⼊海洋的运输中发挥了重要作⽤。