沙丘为何会唱歌:内在构造放大流沙声音

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沙丘为何会唱歌:内在构造放大流沙声音

科学家发现,沙丘的内部结构起到了扩音器的作用,从而形成了鸣沙.
"轰隆隆……轰隆隆……"——马可·波罗在戈壁沙漠听到过它;查尔斯·达尔文在智利听到过它;100年来,物理学家总在试图揭开它的奥秘.然而鸣沙一直是个难解之谜.如今,科学家通过对美国加利福尼亚沙丘进行声学和地震学的综合研究,证明沙丘的内在构造能够以特定的频率放大流沙的声音.
当沙子从最陡峭的一侧滑下时,一些沙丘会发出高低错落的隆隆声.之前的研究认为,导致鸣沙的原因可能与沙粒的特性有关,例如它们的大小.然而,美国帕萨迪纳市加利福尼亚理工学院(Caltech)的研究生Nathalie Vriend和同事却给出了不同的答案.在《地球物理学研究快报》刊载的一篇论文中,他们报告了如何利用声音研究沙丘的内部构造.在都蒙特沙丘——位于加 利福尼亚死亡谷国家公园南部——以及美国西部的某些沙丘地带中,研究人员放置了一些扩音器,目的是记录鸣沙的隆隆声.他们还设置了一个地震检波器网络,后者通常用来进行地震石油勘探.随后,一些志愿者从沙丘的陡坡上坐着滑下来,为的是形成滑落的沙粒并最终引发鸣沙.为了查明沙丘的内部构造,研究人员用一柄大锤子敲打放置在沙子上的一个金属盘,并记录沙子在沙丘不同位置的流动速度.
加州理工学院的研究小组最终发现,鸣沙与沙丘内部结构之间具有紧密关系.在夏季,一个大型沙丘能够轻而易举地发出阵阵隆隆声,此时沙丘表面有一个厚度为1.5米的外层,声音在这里的传播速度比其在外部空气或内部沙子中的传播速度都要慢很多.而沙丘之所以在冬季不会鸣叫,则是因为这一低速层消失了.研究小组认为,这一低速层可能扮演了一个"波导管"的角色.由于波导管可以将上面和下面的高速层的声音向内反射,从而能够有效传递移动沙粒的声音.与此同时,由于频率之间的叠加或共振作用,某些频率被放大了.根据这种理论计算出的声波频率特征与科学家的观测结果吻合.研究人员认为,这种自然界的扩音器之所以伴随冬季低速层的消失而不复存在,多半是由于随着更多的水分进入沙丘,致使声速增加所致.
安阿伯市密歇根大学的物理学家Michael Bretz表示:"看起来我们正在逐步搞清鸣沙的真正原因."他说,"这项研究为我们提供了一种可以接受的机制."然而他的同事,物理学家Franco Nori却认为:"在这个复杂的问题中有许多不同的变量,共振波导效应是重要的,但它并不是唯一的可变因素."但无论如何,滑沙爱好者大显身手的时刻又要来临了.
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