沙丘的世界：风沙如何塑造行星景观

沙丘的世界：风沙如何塑造行星景观

Dune Worlds: How Windblown Sand Shapes Planetary Landscapes

（美）拉尔夫·洛伦茨，（美）詹姆斯·齐姆贝尔曼 著；

柳本立 译. 

北京：科学出版社，2021.2

 

《沙丘的世界：风沙如何塑造行星景观》（以下简称“本书”）写的是沙丘、行星以及地球与空气的相互作用。

沙子本身是矛盾的，它是固体，但又能移动。这一悖论也可用于石头，这是因为地质学最终是研究石头的移动，地球表面的颗粒物质可以移动得非常快，其速度可对人类产生重要影响，也能被观察到。这是源于地球的特殊条件和过程。在特定的地方，沙子（有时是雪）可以明显地自动形成神奇的规则结构，产生一些特别的景观——沙丘（图1.1）。

图1.1 很多人比较熟悉这张引人注目的图片，它是微软操作系统的桌面背景图片之一。流动的沙丘和天空表达了行星与沙丘的关系，月亮悬挂在沙丘上空。但这不仅仅是一个沙丘，读完本书之后，希望读者可以发现图中的显著位置有滑落面和两个不同时期的沙波纹。北半球的读者可能没有注意到图中的月亮是上下颠倒的；从月影（深色的撞击坑）的形状可以看出，右侧插图上的月亮处于正常位置。照片中沙丘之上的月亮看起来有异常，这是因为该照片是在南半球拍摄的（或许是澳大利亚，但纳米比亚的可能性更大）。Zimbelman 完成拼图

我们的祖先发现了4 颗行星和夜空中闪烁的几个亮点，外加地球和月球。天文望远镜的发明使人们发现了更多的行星和卫星，有些卫星比最小的行星还要大。之后我们认识了上千颗其他恒星周围的行星，很多行星有各自的卫星。比编制天体星表更重要的是太空时代的到来，通过各种设备的探索，这些天体不再只是天空中的小点儿，已逐渐显露出它们的真实面貌。

 

无人太空探测已经向我们展示了火星上的沙丘（图1.2），之后是金星，尤其引人注目的是发现土星的卫星——泰坦星上有跟地球上相似的沙丘，尽管它们所处的条件和组成物质差异很大。因此，沙丘和沙波纹的形成是一种普遍现象，产生于同样的物理过程，尽管这些过程所处的条件差异巨大（图1.3）。这一普遍性最可能在泰坦星上巨大的沙海中得到解释，虽然那里的沙子是有机质泥，冷空气密度是地球的4 倍，重力只有地球的1/7，但地表覆盖的沙丘的形状、高度和宽度与地球上最大的沙海一模一样。泰坦星可能是能想到的最独特的外星世界，身处其中可能看不出这里的地貌和地球的差别（图1.4）。

图1.2 第一次在外星世界发现的沙丘。1972 年的沙尘暴结束之后，水手9 号在火星上的Hellespontus 火山口底部捕捉到了这张当时被认为是“疑似沙丘”的照片。注意图片边缘的曲线，当时的光学相机会造成图像的几何变形，需要经过图片上规则分布的黑点（网格状标记）进行拉直矫正。注意这片沙地上沙丘大小的梯度变化。在右上方有个小的撞击坑，还有些模糊的尘卷风轨迹（勉强能看出来，当时并没有人察觉）。左侧的刻度线用来进行数据同化，沙地中的白点是图像传输误差。水手9 号探测器DAS09807429 号图片。Lorenz 供图

 

图1.3 卡西尼号飞船（译者注：经过近20 年的游弋，卡西尼号飞船完成使命，于2017 年9月15 日坠入土星大气层完全销毁）获得的泰坦星表面的一幅雷达影像，约150km 宽，黑色的线条是约1km 宽的线形沙丘，蛇形围绕着右侧一片猪鼻状的高地。地球上也有类似的地形障碍物导致的沙丘走向偏离。Lorenz 和卡西尼任务雷达组供图

 

图1.4 行星沙丘所处基本环境特征简图。现在的火星大气很薄，但过去可能相当厚，从而更有利于沙子传输。在密闭的月球着陆器或基地上，感受到的重力和泰坦星基本相同，但空气更轻。较为模糊的对角线粗略代表相同的沙物质传输性；金星和泰坦星上最轻微的风可以移动沉积物，而如今的火星上需要非常剧烈的风才能扬起风沙。第4 章对这些参数进行进一步的阐述

本书的目的是从物理角度研究这些星球上的沙丘，突出介绍进展神速的地球和遥感设备获得的其他星球的沙丘在形态上的相似性和差异。火星上发现沙丘后的四十来年，轨道卫星的图像质量（每平方千米上的像素）已经提高了10 万倍（图1.5）。1997 年旅居者探测器首次登陆（图1.6）后的十几年间，后续探测器已经实现了“野外地质考察”（图1.7），可获得毫米级精度的图像，在单一的沙波上使用先进的设备进行观测，在颗粒水平上展示火星的沙子。

图1.5 火星普罗克特（Proctor）火山坑沙丘的镶嵌图片，由Zimbelmam 制作。（a）1972 年的水手9 号照片，分辨率为每像素60m；（b）1999 年米级分辨率的火星全球测量图片；（c）～（e）为一张大图（PSP_006780_1320）不断放大的图片，2008 年从火星轨道侦察卫星高分辨成像设备（high resolution imaging science experiment，HiRISE）相机获得，分辨率约为每像素50cm。可以清楚地看到单个沙丘，甚至是小的附着沙波纹。

 

图1.6 火星上的第一次“实地考察”。图片前端浅的低地上有大约10cm 高的石巢状结构，但被探路者号着陆器的相机挡住了。旅居者号探测车远离着陆器艰苦跋涉、探索新的领地，才有了这张照片。我们熟悉的双子峰（从探测车上也可看到）就在远处的水平线上。NASA/JPL 供图，编号PIA00965

 

图1.7 火星勘探机器人机遇号火星车图片。图片下方可看到火星车的太阳能板和火星日晷。从风成沙波纹可看到车轮行进中的打滑痕迹。沙波面上可看到一些粗颗粒，有些地方还能够看到破碎的白色基岩

地质和地理学者最先开始探索地球上的沙丘。很多传统的方法依然能用，包括全球定位系统（global positioning system，GPS）、利用地面或空中数码图像进行摄影测量等方法，这些方法使我们能够快速、定量地实地测量沙丘的形状（图1.8），甚至能使用探地雷达探测沙丘的内部结构，揭示沙层记录的沙丘沉积和移动的历史（图1.9）。

图1.8 有了便携式数码相机，野外记录工作变得非常简单。使用新的计算工具（第17 章），几分钟就能建立起沙丘和沙波纹的定量形态模型。数码相机又小又轻，可以带到空中；此照片显示的是巴西拉克依斯马拉赫塞斯沙漠的新月形沙垄及丘间潟湖，由一个可以折叠装进口袋的长尾风筝携带相机拍摄。Lorenz 拍摄

 

图1.9 探地雷达测量获得的摩洛哥新月形沙丘内部结构。A—A' 断面向右侧下风向移动，从右侧的卫星图片看是由顶向底运动；也能看到沙丘落沙坡标记出的沙丘以前位置。两次测量之间经历的时间较长，沙丘轮廓和断面使用GPS 测量；右侧的卫星图片表明沙丘是朝南移动。Charlie Bristow 供图 

风与沙相互作用的物理模型和计算机模型也有了显著进展，现在已经可以掌握沙丘的形成过程和它们之间的相互作用。通过制订一些简单的规则，采用统一的代数方法处理地貌景观那些让人眼花缭乱的差异，可以重现很多沙丘的地貌（图1.10）。另外，尽管观测真实沙丘的形成和移动可能需要几个月，甚至上千年，但我们已经可以将虚拟沙丘瞬间栩栩如生地展现在电脑屏幕上。这些计算机模型可以将真实世界与实验室联系起来，实验室的模型也已经达到了非常逼真的水平（图1.11）。

图1.10 采用元胞自动机耦合模拟获得的气流与输沙形态，产生了一个 5 条臂的星状沙丘。图中显示了格状气流模型中的流线，受到其下方隆起地形的影响，流线在沙丘脊线处压缩，之后分离，在背风坡产生一个涡旋。Clement Narteau 供图

图1.11 水槽实验中生成的厘米尺度床面，放大1000 倍后在形态上和沙丘一样。床面覆盖沉积物前后移动，在不同循环过程中转动，以模拟所需要的风况并定量研究风的角度变化对形态的影响。Sylvain Courrech du Pont 供图

通过海量的数据、众多的工具，行星沙丘的研究达到了新的高度，可以回答如下一些基本的问题。

 

1. 沙丘如何发展、移动、改变形态？

 

要理解沙子如何移动，首先需要明白什么是沙子，这个答案在不同行星环境中会有很大差别。尽管现代风沙研究的一个突出主题是如何处理风湍流中的高度复杂性和波动性，但在沙粒受到的流体力和重力确定之后，通过基本的数学方法便可以知道需要什么样的风去移动沙粒。

 

2. 各地的沙丘一样吗？

没有两片一样的雪花，也没有两个完全一样的沙丘。但这些无尽的沙丘类型是有明显次序的。科学研究的第一步通常是将类似的研究目标分成一组。虽然存在一些主观因素，但这种简化很有必要。一旦分类，不同星球上、计算机上、水槽实验中相同形态的沙丘可以直接比较，使得不同地方的沙丘之间有了定量联系，以及需要什么样的风、多长时间能够形成它们。

 

3. 沙丘能够告诉我们什么？

沙丘的形成包含珍贵的信息。总体上，沙粒不能消失，否则就形不成地貌景观；但它们又一定要有足够频繁的移动，才能形成沙丘。“足够频繁”是相对的。沙丘要存续，形成、移动、自我修复的速度必须比破坏的速度快。不同地质过程在不同行星上的作用程度也不一样，如地球上撞击坑的数量较少，是由于被水流、冰川侵蚀或其他过程移除了，从卫星照片上仅可以看到几个沙漠里的撞击坑，存在永久性的沙丘（图1.12），但这种形态在泰坦星上非常普遍，那里的侵蚀作用虽然存在，但不如地球显著。火星上的情况则相反，火星上已经数十亿年没有下过雨（如果曾经下过雨的话），能看到数万个可以沉积沙子的撞击坑。

图1.12 国际空间站拍摄的乍得国照片。沙条带和滑落沙丘表明有明显的输沙通道穿过Arounga 撞击坑，撞击坑直径为12.6km。地球上的地表年轻，找不到相似的例子；火星上的撞击坑则可以捕获沙子，泰坦星上，很多撞击坑看起来被沙丘填满了。NASA 供图

地球上还有一些不再变化的沙丘，它们是过去气候的化石，这是另一个矛盾。从18、19 世纪到现在地球科学延伸到更广的行星领域：我们现在看到的地貌多大程度上能够代表现在的地表过程，而在过去截然不同的气候下，又发生过哪些过程？这是火星沙丘研究首先需要考虑的问题，只在最近发现火星上有几个沙丘移动，但其他的可能非常古老，被冰或挥发性矿物固化了。甚至在泰坦星上，发现一些有沙丘特征的地貌单元与其他大多数地貌单元的位置和走向明显不同。

 

不论现在是否活跃，沙丘肯定会包含它们形成时候的条件。无论沙子由什么组成，沙粒肯定有一定大小和适当移动性。沙粒可以由大石头的破碎形成，也可以由湖泊干涸形成的晶体挥发形成，有时候也由过去沙丘形成的砂岩活化形成。但在其他情况下（如泰坦星上），沙粒可由更小的颗粒物形成，或像雪一样从天上落下来。沙子可以形成沙丘，也会演化，往往是一开始破裂成锯齿或尖角状，之后在地面上弹跳、磨小或磨圆，并与其他沙粒无数次碰撞。可以通过新的分析方法甚至遥感来了解沙粒或沙丘的矿物组成、沙粒来源，也可用其他实验方法了解沙粒在沙丘中的埋藏时间及沙丘的年龄。沙粒的微观特征可影响沙粒在飞上沙丘和滑落时发声的现象。

 

除了告诉我们过去的气候，沙子和沙丘是一些荒漠环境里人类生存和工作的主要影响因素。大的荒漠是商业、军事活动的障碍，人们发明了很多不同的机械或技术，以使车辆能够翻越沙丘。首次穿越撒哈拉沙漠使用的是半履带式汽车，这也是第二次世界大战时期“沙漠之狐”隆美尔的最爱（图1.13）。

图1.13 非洲战场中隆美尔（持双筒望远镜者）在格雷夫式半履带式汽车上。半履带式汽车非常有用，适应复杂地形，牵引和机动性能兼顾。维基共享资源图片，源自德国联邦档案馆

实际上，正是隆美尔最勇敢的对手之一——拉尔夫·拜格诺（Ralph Bagnold ）准将最先开展了系统的沙子运动与沙丘的物理学研究。拜格诺在第二次世界大战之前已进入过沙漠，对沙漠地貌的好奇心驱使他走遍世界各地的沙丘，并自己设计实验室来探寻风吹颗粒物移动背后的物理过程。拜格诺开创性的著作The Physics of Wind Blown Sand and Desert Dunes 是所有现代沙丘和风沙沉积物地貌学研究的起点。拜格诺建立了著名的“沙漠远征队”，采用特制的车辆和策略，加上他的沙漠知识，在难以进入的敌后沙漠里挖掘深沟来阻止隆美尔入侵英属埃及领地。

 

类似的问题见于雪地上，以及松散、干燥的火星上的车辆移动。车辆在没有黏结性的地表行进困难，甚至可造成机械损坏。勇气号火星车（图1.14）在古塞夫（Gusev）撞击坑中陷入了松软地面，由于太阳能板朝向的问题不能提供其足够的能量，因此很不幸未能挺过冬天。

图1.14 火星探测漫游者团队的工程师Mike Seibert 与Sharon Laubach 在帕萨迪纳的NASA 喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）检查一辆测试探测车的精确位置，以求为火星上勇气号火星车下一次可能的演习做准备。测试模拟的是勇气号火星车陷在一团古塞夫撞击坑内被戏称为“特洛伊”的松土上。照片摄于2009 年7 月7 日，第二天进行了前后移动评估，这是测试沙盒中可进行的几种演习之一。NASA/JPL 和加州理工学院供图

沙子让车轮或行人难以行走是一方面的问题，它在风的作用下的移动会产生另一方面的问题。风吹雪也会带来类似的麻烦，经过几十年的持续堆积可以完全埋没建筑，因此推动了利用空气动力学原理来防止堆积的建筑学的发展（图1.15）。移动的沙丘能阻塞公路、铁路和渠道，需要很大成本来治理；在更大的尺度上，农田或者绿洲的沙埋使得居民被迫迁移，不得不屈服于沙子的威力。实际上，生态学者在俄勒冈州干旱土地上与沙丘的抗争，给予了科幻小说家James Herbert 灵感，让他写出了代表作小说《沙丘》，还有很多科幻世界中沙丘的特征（图1.16）。

图1.15 未来某一天人类在其他星球上的生活可能与南极类似。石英并非地球上唯一能被风吹并形成沙丘的物质，雪也可以，尤其是在干冷条件下。南极老的冰穹被风吹雪覆盖，1999～2008年新建的Amundsen-Scott 南极站可让雪从下方吹过。该建筑物是根据空气动力学设计的，其指向主风向的楔形下端部分不利于雪的堆积。美国国家科学基金委员会供图

 

图1.16 《星球大战》电影拍摄点，靠近突尼斯的托泽尔地区。几座扮演《星球大战》1 中塔图因行星（天行者故乡）上的莫斯·艾斯帕城的建筑物可作为参考物，清楚地指明附近沙丘的移动。这张照片拍摄于2009 年，本书第一作者站在一个“湿度蒸发器”旁边，身后大概20m远可见一个新月形沙丘的落沙坡。测量结果显示沙丘移动速度为15m/年，这一地点将受到风蚀和沙埋的威胁。Lorenz 和Barnes 拍摄

本书的内容包括沙丘相关的物理原理、相关的观测和测量技术、最新的进展，并将其他星球上的沙丘与对地球上的沙丘一同展示。沙丘是地表与空气交互作用产生的，对沙丘的研究涉及地理、物理、地貌、地球化学、行星科学等不同学科领域。无论读者是什么学科背景，都希望你能够和作者一样享受这个超越传统学科界限的探险过程。本书不是教材，更像是一本旅行指南。本书的目的在于拓宽维度，在数据、技术、文献中为读者提供指引，使他们能够尽情地徜徉。

 

本书包括五个部分。

• 第一部分是绪论；

• 第二部分介绍沙丘形成背后的主要物理过程、组成，它们的大小、形态和运动的控制因素；

• 第三部分讨论了地球、火星、泰坦星、金星等不同沙丘世界上的风沙活动特征；

• 第四部分探讨了各种沙丘研究的方法，包括室内或风洞试验、野外工作及数值模拟，也阐述了几种遥感技术在风沙研究中的应用；

• 第五部分总结了沙丘和相关地貌及其形成过程对地球和其他星球（包括科幻世界）的重要性：作为自然系统的一部分，对环境的指示作用及它们如何影响交通和基础设施。

同时，本书用照片来说明某些特殊问题。我们被沙丘的自然美深深吸引，展示两张精美照片结尾本文。

图1.17 国际空间站上拍摄的阿尔及利亚东方大尔格沙丘（撒哈拉沙漠的一部分）。沙丘总体上的布局是线形的，但脊线是星状的。是线形沙丘变成了星状，还是星状沙丘恰巧线形排列？线形沙丘大约2km 宽。NASA 约翰逊空间中心科学分析实验室图片，从“宇航员地球摄影照片网关”获得

 

图1.18 HiRISE 相机拍摄的火星表面照片。该图显示了三个尺度的风沙地貌，包括一组新月形和穹状沙丘，右侧主要是有明显脊线的沙波纹或横向沙波，仔细看沙丘的表面则会发现小的沙波纹。NASA/JPL 及亚利桑那大学供图

  

本文摘编自《沙丘的世界：风沙如何塑造行星景观》[（美）拉尔夫·洛伦茨，（美）詹姆斯·齐姆贝尔曼著；柳本立译. 北京：科学出版社，2021.2]一书“第1 章 引言”，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-064080-2

责任编辑：祝 洁

 

本书是关于人类已知世界中，一种较为普遍存在、动感十足、千姿百态又神秘无比的地貌形态——沙丘。书中有丰富的历史资料和最新的探测数据，有大量不同星球上风沙地貌的精美照片，对太阳系及几部科幻小说中有沙丘的星球环境进行了详细介绍，展示了地球、火星、金星、泰坦星等星球上的沙丘形态和分布，并结合作者亲身经历讲述了很多沙丘的特点和乐趣，将沙丘对气候、人类的影响进行了有趣的讨论，同时对地球和地外星球上风沙地貌的成因、风沙运动的机理和过程、风沙研究的方法和原理进行了细致的总结。

本书适于对沙漠、地外星球感兴趣的大众阅读，也可供风沙地貌、沙漠与沙漠化等领域相关的研究人员参考。

（本文编辑：刘四旦）

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