世界各地鹽漠中不尋常的蜂窩狀圖案之謎被解開

世界各地的鹽漠幾乎都形成了蜂窩狀的圖案，從美國加州死亡谷的惡水盆地到玻利維亞的烏尤尼鹽沼。這些神秘的鹽結構每年吸引著成千上萬的游客。烏尤尼鹽沼的異形圖案還呈現在電影場景中，比如《星球大戰：最后的絕地武士》的粉絲就能認出其是沙漠星球克瑞特星的背景。

到目前為止，解釋這些圖案起源及其標志性形狀和大小的機制一直難以捉摸。人們認為沙漠的鹽殼變干后形成了裂縫，這些圖案就在裂縫周圍生長，但這并不能解釋它們一致的大小和形狀。

近日，一個由奧地利、英國以及德國機構研究人員組成的跨學科聯合團隊提供了一種更為合理的解釋。在《物理評論X》刊登的一項研究論文中，他們闡釋了地表下鹽水的對流如何導致了蜂窩狀鹽漠圖案的形成。一兩米的蜂窩狀圖案及其生長速度也可以歸因于此。

鹽漠是世界上最美的景觀之一。論文第一作者、奧地利格拉茨工業大學交互系統與數據科學研究所物理學家拉塞表示這些多邊形總是有幾米寬，但沒有人能夠用它們獨特的大小和形狀來解釋這些圖案的起源。

為了弄清這一自然界的奧秘，拉塞和團隊結合了物理學中的流體動力學和地球科學中的地貌學的研究領域，從多個方向對這一現象進行了探究。他們開發了一個在地表和地表下發生過程的數學模型。這個基于流體動力學和其他地球物理學原理的模型預測，一個典型的干涸湖床，由于上面的鹽分殘留，將在其表面附近形成一個重的富鹽流體層。他們在實驗室實驗中觀察了鹽水如何在沙質土壤中流動，在數值模擬中分析了不同條件下圖案的長度尺度，并在加利福尼亞包括死亡谷的兩次實地研究中觀察了自然界中的圖案，收集了樣本，以證明地下的水流與表面可見的圖案有關。

該團隊從實驗、模擬和實地研究中收集的證據都指向一致的圖景。圖案形成的驅動機制是鹽殼下土壤中鹽水的對流或循環。出現這些圖案的鹽漠絕不是非常干燥的，高鹽分的地下水經常直達鹽殼下方。身處于這些沙漠的人很快就能用手挖到水，盡管其太咸了，不能喝。當這些鹽水在夏天的烈日下蒸發時，鹽就會留下來。這使得地表正下方的地下水更咸，因而比仍舊潛伏在下面的更淡的水更重。如果這種鹽度差異足夠高，靠近地表的較咸的水開始向下沉，而較淡的水則從下面升起。類似于加熱器中的冷熱水循環對流，在地下形成含鹽水和低鹽水的對流卷。

單個的對流卷會具有圓形形狀，從而最大化其包圍的體積同時最小化其周長。然而，當許多對流卷在地面上彼此相鄰發展時，它們被“擠壓”在一起，產生六角形、蜂窩狀的圖案，非常咸的水會沿著這些圖案的邊緣下沉。在含鹽量特別高的地方，鹽在表面上的結晶也更多。隨著時間的推移，由此產生的地殼形成凸起的隆起和邊緣，形成蜂窩狀的鹽圖案。

“這是好奇心驅動的基礎研究的一個很好的例子。”拉塞說，“大自然向我們展示了一道明顯而迷人的謎題，激發了我們的好奇心，從而促使我們去解決它——即使沒有任何直接進一步應用的可能性。”除了滿足好奇心以外，對鹽漠地形的了解還有助于預測有多少富含礦物質的塵埃會從鹽漠表面被移走并進入大氣層。這些塵埃反過來又在云的形成和礦物質進入海洋的輸送中發揮著重要作用。

我們所表明的是，存在一種簡單的、合理的解釋，但隱藏在地面之下。共同作者、英國諾丁漢特倫特大學科學技術學院物理學副教授木林說：“表面圖案反映了土壤中鹽水的緩慢翻轉，這種現象有點像在一層薄薄的沸水中形成的對流單體。雖然很美，但刮過鹽漠的風是大氣塵埃的主要來源，我們的研究結果將有助于了解沙漠環境中的這種過程。”

共同作者、英國利茲大學數學學院副教授貝羅姆說：“這些外星一般的景觀吸引了成千上萬的游客，甚至成為了電影的靈感來源，然而，沒有人真正知道這些圖案是如何或為什么出現的，以及為什么它們是一致的。我們的發現為了解這一不可思議的物理現象提供了重要見解。”

這項研究提供了令人信服的證據，證明鹽多邊形是這種對流機制的表面特征，倫敦大學學院數學家鄧肯·休伊特表示：“這是一個相當漂亮的結果，它為一種廣泛觀察到的地質模式提供了一種可能的解釋。”

參與這項研究的作者團隊還包括來自德國馬克斯·普朗克動力學與自組織研究所、哥廷根大學和英國南安普敦大學與牛津大學的研究人員。