沙丘的世界：風(fēng)沙如何塑造行星景觀
沙丘的世界：風(fēng)沙如何塑造行星景觀
Dune Worlds: How Windblown Sand Shapes Planetary Landscapes
（美）拉爾夫·洛倫茨，（美）詹姆斯·齊姆貝爾曼 著；
柳本立 譯.
北京：科學(xué)出版社，2021.2
《沙丘的世界：風(fēng)沙如何塑造行星景觀》（以下簡稱“本書”）寫的是沙丘、行星以及地球與空氣的相互作用。
沙子本身是矛盾的，它是固體，但又能移動。這一悖論也可用于石頭，這是因為地質(zhì)學(xué)最終是研究石頭的移動，地球表面的顆粒物質(zhì)可以移動得非常快，其速度可對人類產(chǎn)生重要影響，也能被觀察到。這是源于地球的特殊條件和過程。在特定的地方，沙子（有時是雪）可以明顯地自動形成神奇的規(guī)則結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一些特別的景觀——沙丘（圖1.1）。
圖1.1 很多人比較熟悉這張引人注目的圖片，它是微軟操作系統(tǒng)的桌面背景圖片之一。流動的沙丘和天空表達(dá)了行星與沙丘的關(guān)系，月亮懸掛在沙丘上空。但這不僅僅是一個沙丘，讀完本書之后，希望讀者可以發(fā)現(xiàn)圖中的顯著位置有滑落面和兩個不同時期的沙波紋。北半球的讀者可能沒有注意到圖中的月亮是上下顛倒的；從月影（深色的撞擊坑）的形狀可以看出，右側(cè)插圖上的月亮處于正常位置。照片中沙丘之上的月亮看起來有異常，這是因為該照片是在南半球拍攝的（或許是澳大利亞，但納米比亞的可能性更大）。Zimbelman 完成拼圖
我們的祖先發(fā)現(xiàn)了4 顆行星和夜空中閃爍的幾個亮點，外加地球和月球。天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明使人們發(fā)現(xiàn)了更多的行星和衛(wèi)星，有些衛(wèi)星比最小的行星還要大。之后我們認(rèn)識了上千顆其他恒星周圍的行星，很多行星有各自的衛(wèi)星。比編制天體星表更重要的是太空時代的到來，通過各種設(shè)備的探索，這些天體不再只是天空中的小點兒，已逐漸顯露出它們的真實面貌。
無人太空探測已經(jīng)向我們展示了火星上的沙丘（圖1.2），之后是金星，尤其引人注目的是發(fā)現(xiàn)土星的衛(wèi)星——泰坦星上有跟地球上相似的沙丘，盡管它們所處的條件和組成物質(zhì)差異很大。因此，沙丘和沙波紋的形成是一種普遍現(xiàn)象，產(chǎn)生于同樣的物理過程，盡管這些過程所處的條件差異巨大（圖1.3）。這一普遍性最可能在泰坦星上巨大的沙海中得到解釋，雖然那里的沙子是有機(jī)質(zhì)泥，冷空氣密度是地球的4 倍，重力只有地球的1/7，但地表覆蓋的沙丘的形狀、高度和寬度與地球上最大的沙海一模一樣。泰坦星可能是能想到的最獨特的外星世界，身處其中可能看不出這里的地貌和地球的差別（圖1.4）。
圖1.2 第一次在外星世界發(fā)現(xiàn)的沙丘。1972 年的沙塵暴結(jié)束之后，水手9 號在火星上的Hellespontus 火山口底部捕捉到了這張當(dāng)時被認(rèn)為是“疑似沙丘”的照片。注意圖片邊緣的曲線，當(dāng)時的光學(xué)相機(jī)會造成圖像的幾何變形，需要經(jīng)過圖片上規(guī)則分布的黑點（網(wǎng)格狀標(biāo)記）進(jìn)行拉直矯正。注意這片沙地上沙丘大小的梯度變化。在右上方有個小的撞擊坑，還有些模糊的塵卷風(fēng)軌跡（勉強能看出來，當(dāng)時并沒有人察覺）。左側(cè)的刻度線用來進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，沙地中的白點是圖像傳輸誤差。水手9 號探測器DAS09807429 號圖片。Lorenz 供圖
圖1.3 卡西尼號飛船（譯者注：經(jīng)過近20 年的游弋，卡西尼號飛船完成使命，于2017 年9月15 日墜入土星大氣層完全銷毀）獲得的泰坦星表面的一幅雷達(dá)影像，約150km 寬，黑色的線條是約1km 寬的線形沙丘，蛇形圍繞著右側(cè)一片豬鼻狀的高地。地球上也有類似的地形障礙物導(dǎo)致的沙丘走向偏離。Lorenz 和卡西尼任務(wù)雷達(dá)組供圖
圖1.4 行星沙丘所處基本環(huán)境特征簡圖。現(xiàn)在的火星大氣很薄，但過去可能相當(dāng)厚，從而更有利于沙子傳輸。在密閉的月球著陸器或基地上，感受到的重力和泰坦星基本相同，但空氣更輕。較為模糊的對角線粗略代表相同的沙物質(zhì)傳輸性；金星和泰坦星上最輕微的風(fēng)可以移動沉積物，而如今的火星上需要非常劇烈的風(fēng)才能揚起風(fēng)沙。第4 章對這些參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的闡述
本書的目的是從物理角度研究這些星球上的沙丘，突出介紹進(jìn)展神速的地球和遙感設(shè)備獲得的其他星球的沙丘在形態(tài)上的相似性和差異。火星上發(fā)現(xiàn)沙丘后的四十來年，軌道衛(wèi)星的圖像質(zhì)量（每平方千米上的像素）已經(jīng)提高了10 萬倍（圖1.5）。1997 年旅居者探測器首次登陸（圖1.6）后的十幾年間，后續(xù)探測器已經(jīng)實現(xiàn)了“野外地質(zhì)考察”（圖1.7），可獲得毫米級精度的圖像，在單一的沙波上使用先進(jìn)的設(shè)備進(jìn)行觀測，在顆粒水平上展示火星的沙子。
圖1.5 火星普羅克特（Proctor）火山坑沙丘的鑲嵌圖片，由Zimbelmam 制作。（a）1972 年的水手9 號照片，分辨率為每像素60m；（b）1999 年米級分辨率的火星全球測量圖片；（c）～（e）為一張大圖（PSP_006780_1320）不斷放大的圖片，2008 年從火星軌道偵察衛(wèi)星高分辨成像設(shè)備（high resolution imaging science experiment，HiRISE）相機(jī)獲得，分辨率約為每像素50cm。可以清楚地看到單個沙丘，甚至是小的附著沙波紋。
圖1.6 火星上的第一次“實地考察”。圖片前端淺的低地上有大約10cm 高的石巢狀結(jié)構(gòu)，但被探路者號著陸器的相機(jī)擋住了。旅居者號探測車遠(yuǎn)離著陸器艱苦跋涉、探索新的領(lǐng)地，才有了這張照片。我們熟悉的雙子峰（從探測車上也可看到）就在遠(yuǎn)處的水平線上。NASA/JPL 供圖，編號PIA00965
圖1.7 火星勘探機(jī)器人機(jī)遇號火星車圖片。圖片下方可看到火星車的太陽能板和火星日晷。從風(fēng)成沙波紋可看到車輪行進(jìn)中的打滑痕跡。沙波面上可看到一些粗顆粒，有些地方還能夠看到破碎的白色基巖
地質(zhì)和地理學(xué)者最先開始探索地球上的沙丘。很多傳統(tǒng)的方法依然能用，包括全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）、利用地面或空中數(shù)碼圖像進(jìn)行攝影測量等方法，這些方法使我們能夠快速、定量地實地測量沙丘的形狀（圖1.8），甚至能使用探地雷達(dá)探測沙丘的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，揭示沙層記錄的沙丘沉積和移動的歷史（圖1.9）。
圖1.8 有了便攜式數(shù)碼相機(jī)，野外記錄工作變得非常簡單。使用新的計算工具（第17 章），幾分鐘就能建立起沙丘和沙波紋的定量形態(tài)模型。數(shù)碼相機(jī)又小又輕，可以帶到空中；此照片顯示的是巴西拉克依斯馬拉赫塞斯沙漠的新月形沙壟及丘間潟湖，由一個可以折疊裝進(jìn)口袋的長尾風(fēng)箏攜帶相機(jī)拍攝。Lorenz 拍攝
圖1.9 探地雷達(dá)測量獲得的摩洛哥新月形沙丘內(nèi)部結(jié)構(gòu)。A—A' 斷面向右側(cè)下風(fēng)向移動，從右側(cè)的衛(wèi)星圖片看是由頂向底運動；也能看到沙丘落沙坡標(biāo)記出的沙丘以前位置。兩次測量之間經(jīng)歷的時間較長，沙丘輪廓和斷面使用GPS 測量；右側(cè)的衛(wèi)星圖片表明沙丘是朝南移動。Charlie Bristow 供圖
風(fēng)與沙相互作用的物理模型和計算機(jī)模型也有了顯著進(jìn)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以掌握沙丘的形成過程和它們之間的相互作用。通過制訂一些簡單的規(guī)則，采用統(tǒng)一的代數(shù)方法處理地貌景觀那些讓人眼花繚亂的差異，可以重現(xiàn)很多沙丘的地貌（圖1.10）。另外，盡管觀測真實沙丘的形成和移動可能需要幾個月，甚至上千年，但我們已經(jīng)可以將虛擬沙丘瞬間栩栩如生地展現(xiàn)在電腦屏幕上。這些計算機(jī)模型可以將真實世界與實驗室聯(lián)系起來，實驗室的模型也已經(jīng)達(dá)到了非常逼真的水平（圖1.11）。
圖1.10 采用元胞自動機(jī)耦合模擬獲得的氣流與輸沙形態(tài)，產(chǎn)生了一個 5 條臂的星狀沙丘。圖中顯示了格狀氣流模型中的流線，受到其下方隆起地形的影響，流線在沙丘脊線處壓縮，之后分離，在背風(fēng)坡產(chǎn)生一個渦旋。Clement Narteau 供圖
圖1.11 水槽實驗中生成的厘米尺度床面，放大1000 倍后在形態(tài)上和沙丘一樣。床面覆蓋沉積物前后移動，在不同循環(huán)過程中轉(zhuǎn)動，以模擬所需要的風(fēng)況并定量研究風(fēng)的角度變化對形態(tài)的影響。Sylvain Courrech du Pont 供圖
通過海量的數(shù)據(jù)、眾多的工具，行星沙丘的研究達(dá)到了新的高度，可以回答如下一些基本的問題。
1. 沙丘如何發(fā)展、移動、改變形態(tài)？
要理解沙子如何移動，首先需要明白什么是沙子，這個答案在不同行星環(huán)境中會有很大差別。盡管現(xiàn)代風(fēng)沙研究的一個突出主題是如何處理風(fēng)湍流中的高度復(fù)雜性和波動性，但在沙粒受到的流體力和重力確定之后，通過基本的數(shù)學(xué)方法便可以知道需要什么樣的風(fēng)去移動沙粒。
2. 各地的沙丘一樣嗎？
沒有兩片一樣的雪花，也沒有兩個完全一樣的沙丘。但這些無盡的沙丘類型是有明顯次序的。科學(xué)研究的第一步通常是將類似的研究目標(biāo)分成一組。雖然存在一些主觀因素，但這種簡化很有必要。一旦分類，不同星球上、計算機(jī)上、水槽實驗中相同形態(tài)的沙丘可以直接比較，使得不同地方的沙丘之間有了定量聯(lián)系，以及需要什么樣的風(fēng)、多長時間能夠形成它們。
3. 沙丘能夠告訴我們什么？
沙丘的形成包含珍貴的信息。總體上，沙粒不能消失，否則就形不成地貌景觀；但它們又一定要有足夠頻繁的移動，才能形成沙丘。“足夠頻繁”是相對的。沙丘要存續(xù)，形成、移動、自我修復(fù)的速度必須比破壞的速度快。不同地質(zhì)過程在不同行星上的作用程度也不一樣，如地球上撞擊坑的數(shù)量較少，是由于被水流、冰川侵蝕或其他過程移除了，從衛(wèi)星照片上僅可以看到幾個沙漠里的撞擊坑，存在永久性的沙丘（圖1.12），但這種形態(tài)在泰坦星上非常普遍，那里的侵蝕作用雖然存在，但不如地球顯著。火星上的情況則相反，火星上已經(jīng)數(shù)十億年沒有下過雨（如果曾經(jīng)下過雨的話），能看到數(shù)萬個可以沉積沙子的撞擊坑。
圖1.12 國際空間站拍攝的乍得國照片。沙條帶和滑落沙丘表明有明顯的輸沙通道穿過Arounga 撞擊坑，撞擊坑直徑為12.6km。地球上的地表年輕，找不到相似的例子；火星上的撞擊坑則可以捕獲沙子，泰坦星上，很多撞擊坑看起來被沙丘填滿了。NASA 供圖
地球上還有一些不再變化的沙丘，它們是過去氣候的化石，這是另一個矛盾。從18、19 世紀(jì)到現(xiàn)在地球科學(xué)延伸到更廣的行星領(lǐng)域：我們現(xiàn)在看到的地貌多大程度上能夠代表現(xiàn)在的地表過程，而在過去截然不同的氣候下，又發(fā)生過哪些過程？這是火星沙丘研究首先需要考慮的問題，只在最近發(fā)現(xiàn)火星上有幾個沙丘移動，但其他的可能非常古老，被冰或揮發(fā)性礦物固化了。甚至在泰坦星上，發(fā)現(xiàn)一些有沙丘特征的地貌單元與其他大多數(shù)地貌單元的位置和走向明顯不同。
不論現(xiàn)在是否活躍，沙丘肯定會包含它們形成時候的條件。無論沙子由什么組成，沙粒肯定有一定大小和適當(dāng)移動性。沙粒可以由大石頭的破碎形成，也可以由湖泊干涸形成的晶體揮發(fā)形成，有時候也由過去沙丘形成的砂巖活化形成。但在其他情況下（如泰坦星上），沙粒可由更小的顆粒物形成，或像雪一樣從天上落下來。沙子可以形成沙丘，也會演化，往往是一開始破裂成鋸齒或尖角狀，之后在地面上彈跳、磨小或磨圓，并與其他沙粒無數(shù)次碰撞。可以通過新的分析方法甚至遙感來了解沙粒或沙丘的礦物組成、沙粒來源，也可用其他實驗方法了解沙粒在沙丘中的埋藏時間及沙丘的年齡。沙粒的微觀特征可影響沙粒在飛上沙丘和滑落時發(fā)聲的現(xiàn)象。
除了告訴我們過去的氣候，沙子和沙丘是一些荒漠環(huán)境里人類生存和工作的主要影響因素。大的荒漠是商業(yè)、軍事活動的障礙，人們發(fā)明了很多不同的機(jī)械或技術(shù)，以使車輛能夠翻越沙丘。首次穿越撒哈拉沙漠使用的是半履帶式汽車，這也是第二次世界大戰(zhàn)時期“沙漠之狐”隆美爾的最愛（圖1.13）。
圖1.13 非洲戰(zhàn)場中隆美爾（持雙筒望遠(yuǎn)鏡者）在格雷夫式半履帶式汽車上。半履帶式汽車非常有用，適應(yīng)復(fù)雜地形，牽引和機(jī)動性能兼顧。維基共享資源圖片，源自德國聯(lián)邦檔案館
實際上，正是隆美爾最勇敢的對手之一——拉爾夫·拜格諾（Ralph Bagnold ）準(zhǔn)將最先開展了系統(tǒng)的沙子運動與沙丘的物理學(xué)研究。拜格諾在第二次世界大戰(zhàn)之前已進(jìn)入過沙漠，對沙漠地貌的好奇心驅(qū)使他走遍世界各地的沙丘，并自己設(shè)計實驗室來探尋風(fēng)吹顆粒物移動背后的物理過程。拜格諾開創(chuàng)性的著作The Physics of Wind Blown Sand and Desert Dunes 是所有現(xiàn)代沙丘和風(fēng)沙沉積物地貌學(xué)研究的起點。拜格諾建立了著名的“沙漠遠(yuǎn)征隊”，采用特制的車輛和策略，加上他的沙漠知識，在難以進(jìn)入的敵后沙漠里挖掘深溝來阻止隆美爾入侵英屬埃及領(lǐng)地。
類似的問題見于雪地上，以及松散、干燥的火星上的車輛移動。車輛在沒有黏結(jié)性的地表行進(jìn)困難，甚至可造成機(jī)械損壞。勇氣號火星車（圖1.14）在古塞夫（Gusev）撞擊坑中陷入了松軟地面，由于太陽能板朝向的問題不能提供其足夠的能量，因此很不幸未能挺過冬天。
圖1.14 火星探測漫游者團(tuán)隊的工程師Mike Seibert 與Sharon Laubach 在帕薩迪納的NASA 噴氣推進(jìn)實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）檢查一輛測試探測車的精確位置，以求為火星上勇氣號火星車下一次可能的演習(xí)做準(zhǔn)備。測試模擬的是勇氣號火星車陷在一團(tuán)古塞夫撞擊坑內(nèi)被戲稱為“特洛伊”的松土上。照片攝于2009 年7 月7 日，第二天進(jìn)行了前后移動評估，這是測試沙盒中可進(jìn)行的幾種演習(xí)之一。NASA/JPL 和加州理工學(xué)院供圖
沙子讓車輪或行人難以行走是一方面的問題，它在風(fēng)的作用下的移動會產(chǎn)生另一方面的問題。風(fēng)吹雪也會帶來類似的麻煩，經(jīng)過幾十年的持續(xù)堆積可以完全埋沒建筑，因此推動了利用空氣動力學(xué)原理來防止堆積的建筑學(xué)的發(fā)展（圖1.15）。移動的沙丘能阻塞公路、鐵路和渠道，需要很大成本來治理；在更大的尺度上，農(nóng)田或者綠洲的沙埋使得居民被迫遷移，不得不屈服于沙子的威力。實際上，生態(tài)學(xué)者在俄勒岡州干旱土地上與沙丘的抗?fàn)帲o予了科幻小說家James Herbert 靈感，讓他寫出了代表作小說《沙丘》，還有很多科幻世界中沙丘的特征（圖1.16）。
圖1.15 未來某一天人類在其他星球上的生活可能與南極類似。石英并非地球上唯一能被風(fēng)吹并形成沙丘的物質(zhì)，雪也可以，尤其是在干冷條件下。南極老的冰穹被風(fēng)吹雪覆蓋，1999～2008年新建的Amundsen-Scott 南極站可讓雪從下方吹過。該建筑物是根據(jù)空氣動力學(xué)設(shè)計的，其指向主風(fēng)向的楔形下端部分不利于雪的堆積。美國國家科學(xué)基金委員會供圖
圖1.16 《星球大戰(zhàn)》電影拍攝點，靠近突尼斯的托澤爾地區(qū)。幾座扮演《星球大戰(zhàn)》1 中塔圖因行星（天行者故鄉(xiāng)）上的莫斯·艾斯帕城的建筑物可作為參考物，清楚地指明附近沙丘的移動。這張照片拍攝于2009 年，本書第一作者站在一個“濕度蒸發(fā)器”旁邊，身后大概20m遠(yuǎn)可見一個新月形沙丘的落沙坡。測量結(jié)果顯示沙丘移動速度為15m/年，這一地點將受到風(fēng)蝕和沙埋的威脅。Lorenz 和Barnes 拍攝
本書的內(nèi)容包括沙丘相關(guān)的物理原理、相關(guān)的觀測和測量技術(shù)、最新的進(jìn)展，并將其他星球上的沙丘與對地球上的沙丘一同展示。沙丘是地表與空氣交互作用產(chǎn)生的，對沙丘的研究涉及地理、物理、地貌、地球化學(xué)、行星科學(xué)等不同學(xué)科領(lǐng)域。無論讀者是什么學(xué)科背景，都希望你能夠和作者一樣享受這個超越傳統(tǒng)學(xué)科界限的探險過程。本書不是教材，更像是一本旅行指南。本書的目的在于拓寬維度，在數(shù)據(jù)、技術(shù)、文獻(xiàn)中為讀者提供指引，使他們能夠盡情地徜徉。
本書包括五個部分。
第一部分是緒論；
第二部分介紹沙丘形成背后的主要物理過程、組成，它們的大小、形態(tài)和運動的控制因素；
第三部分討論了地球、火星、泰坦星、金星等不同沙丘世界上的風(fēng)沙活動特征；
第四部分探討了各種沙丘研究的方法，包括室內(nèi)或風(fēng)洞試驗、野外工作及數(shù)值模擬，也闡述了幾種遙感技術(shù)在風(fēng)沙研究中的應(yīng)用；
第五部分總結(jié)了沙丘和相關(guān)地貌及其形成過程對地球和其他星球（包括科幻世界）的重要性：作為自然系統(tǒng)的一部分，對環(huán)境的指示作用及它們?nèi)绾斡绊懡煌ê突A(chǔ)設(shè)施。
同時，本書用照片來說明某些特殊問題。我們被沙丘的自然美深深吸引，展示兩張精美照片結(jié)尾本文。
圖1.17 國際空間站上拍攝的阿爾及利亞東方大爾格沙丘（撒哈拉沙漠的一部分）。沙丘總體上的布局是線形的，但脊線是星狀的。是線形沙丘變成了星狀，還是星狀沙丘恰巧線形排列？線形沙丘大約2km 寬。NASA 約翰遜空間中心科學(xué)分析實驗室圖片，從“宇航員地球攝影照片網(wǎng)關(guān)”獲得
圖1.18 HiRISE 相機(jī)拍攝的火星表面照片。該圖顯示了三個尺度的風(fēng)沙地貌，包括一組新月形和穹狀沙丘，右側(cè)主要是有明顯脊線的沙波紋或橫向沙波，仔細(xì)看沙丘的表面則會發(fā)現(xiàn)小的沙波紋。NASA/JPL 及亞利桑那大學(xué)供圖
本文摘編自《沙丘的世界：風(fēng)沙如何塑造行星景觀》[（美）拉爾夫·洛倫茨，（美）詹姆斯·齊姆貝爾曼著；柳本立譯. 北京：科學(xué)出版社，2021.2]一書“第1 章 引言”，標(biāo)題為編者所加。
ISBN 978-7-03-064080-2
責(zé)任編輯：祝 潔
本書是關(guān)于人類已知世界中，一種較為普遍存在、動感十足、千姿百態(tài)又神秘?zé)o比的地貌形態(tài)——沙丘。書中有豐富的歷史資料和最新的探測數(shù)據(jù)，有大量不同星球上風(fēng)沙地貌的精美照片，對太陽系及幾部科幻小說中有沙丘的星球環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)介紹，展示了地球、火星、金星、泰坦星等星球上的沙丘形態(tài)和分布，并結(jié)合作者親身經(jīng)歷講述了很多沙丘的特點和樂趣，將沙丘對氣候、人類的影響進(jìn)行了有趣的討論，同時對地球和地外星球上風(fēng)沙地貌的成因、風(fēng)沙運動的機(jī)理和過程、風(fēng)沙研究的方法和原理進(jìn)行了細(xì)致的總結(jié)。
本書適于對沙漠、地外星球感興趣的大眾閱讀，也可供風(fēng)沙地貌、沙漠與沙漠化等領(lǐng)域相關(guān)的研究人員參考。
（本文編輯：劉四旦）
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