世界各地盐漠中不寻常的蜂窝状图案之谜被解开

世界各地的盐漠几乎都形成了蜂窝状的图案，从美国加州死亡谷的恶水盆地到玻利维亚的乌尤尼盐沼。这些神秘的盐结构每年吸引着成千上万的游客。乌尤尼盐沼的异形图案还呈现在电影场景中，比如《星球大战：最后的绝地武士》的粉丝就能认出其是沙漠星球克瑞特星的背景。

到目前为止，解释这些图案起源及其标志性形状和大小的机制一直难以捉摸。人们认为沙漠的盐壳变干后形成了裂缝，这些图案就在裂缝周围生长，但这并不能解释它们一致的大小和形状。

近日，一个由奥地利、英国以及德国机构研究人员组成的跨学科联合团队提供了一种更为合理的解释。在《物理评论X》刊登的一项研究论文中，他们阐释了地表下盐水的对流如何导致了蜂窝状盐漠图案的形成。一两米的蜂窝状图案及其生长速度也可以归因于此。

盐漠是世界上最美的景观之一。论文第一作者、奥地利格拉茨工业大学交互系统与数据科学研究所物理学家拉塞表示这些多边形总是有几米宽，但没有人能够用它们独特的大小和形状来解释这些图案的起源。

为了弄清这一自然界的奥秘，拉塞和团队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，从多个方向对这一现象进行了探究。他们开发了一个在地表和地表下发生过程的数学模型。这个基于流体动力学和其他地球物理学原理的模型预测，一个典型的干涸湖床，由于上面的盐分残留，将在其表面附近形成一个重的富盐流体层。他们在实验室实验中观察了盐水如何在沙质土壤中流动，在数值模拟中分析了不同条件下图案的长度尺度，并在加利福尼亚包括死亡谷的两次实地研究中观察了自然界中的图案，收集了样本，以证明地下的水流与表面可见的图案有关。

该团队从实验、模拟和实地研究中收集的证据都指向一致的图景。图案形成的驱动机制是盐壳下土壤中盐水的对流或循环。出现这些图案的盐漠绝不是非常干燥的，高盐分的地下水经常直达盐壳下方。身处于这些沙漠的人很快就能用手挖到水，尽管其太咸了，不能喝。当这些盐水在夏天的烈日下蒸发时，盐就会留下来。这使得地表正下方的地下水更咸，因而比仍旧潜伏在下面的更淡的水更重。如果这种盐度差异足够高，靠近地表的较咸的水开始向下沉，而较淡的水则从下面升起。类似于加热器中的冷热水循环对流，在地下形成含盐水和低盐水的对流卷。

单个的对流卷会具有圆形形状，从而最大化其包围的体积同时最小化其周长。然而，当许多对流卷在地面上彼此相邻发展时，它们被“挤压”在一起，产生六角形、蜂窝状的图案，非常咸的水会沿着这些图案的边缘下沉。在含盐量特别高的地方，盐在表面上的结晶也更多。随着时间的推移，由此产生的地壳形成凸起的隆起和边缘，形成蜂窝状的盐图案。

“这是好奇心驱动的基础研究的一个很好的例子。”拉塞说，“大自然向我们展示了一道明显而迷人的谜题，激发了我们的好奇心，从而促使我们去解决它——即使没有任何直接进一步应用的可能性。”除了满足好奇心以外，对盐漠地形的了解还有助于预测有多少富含矿物质的尘埃会从盐漠表面被移走并进入大气层。这些尘埃反过来又在云的形成和矿物质进入海洋的输送中发挥着重要作用。

我们所表明的是，存在一种简单的、合理的解释，但隐藏在地面之下。共同作者、英国诺丁汉特伦特大学科学技术学院物理学副教授木林说：“表面图案反映了土壤中盐水的缓慢翻转，这种现象有点像在一层薄薄的沸水中形成的对流单体。虽然很美，但刮过盐漠的风是大气尘埃的主要来源，我们的研究结果将有助于了解沙漠环境中的這种过程。”

共同作者、英国利兹大学数学学院副教授贝罗姆说：“这些外星一般的景观吸引了成千上万的游客，甚至成为了电影的灵感来源，然而，没有人真正知道这些图案是如何或为什么出现的，以及为什么它们是一致的。我们的发现为了解这一不可思议的物理现象提供了重要见解。”

这项研究提供了令人信服的证据，证明盐多边形是这种对流机制的表面特征，伦敦大学学院数学家邓肯·休伊特表示：“这是一个相当漂亮的结果，它为一种广泛观察到的地质模式提供了一种可能的解释。”

参与这项研究的作者团队还包括来自德国马克斯·普朗克动力学与自组织研究所、哥廷根大学和英国南安普敦大学与牛津大学的研究人员。