蘭州科學(xué)家歷經(jīng)20年研究終于揭開鳴沙不鳴之謎

　　“失聲”鳴沙山有望重新“歌唱”

　　蘭州科學(xué)家20年研究揭開鳴沙不鳴之謎

說起敦煌的鳴沙山，沒有幾個(gè)人不知道，因?yàn)樗鼘?shí)在太特殊了。鳴沙山不同于普通的沙丘，當(dāng)沙子沿著沙丘向下滑動(dòng)時(shí)，便會(huì)發(fā)出低沉的聲音，時(shí)而如飛機(jī)轟鳴，時(shí)而如鈴響，時(shí)而如鐘鳴。可是，這一自然奇觀卻在上世紀(jì)80年代末逐漸消失了，讓不少慕名而去的游客覺得鳴沙山名不副實(shí)。為此，中科院寒旱所屈建軍研究員從1991年開始?xì)v經(jīng)20余年的研究，終于在2011年發(fā)現(xiàn)了鳴沙不鳴的原因，2012年，屈建軍的研究成果向科學(xué)界發(fā)表之后，得到了同行的普遍認(rèn)可，目前已經(jīng)成為基本公認(rèn)的鳴沙為什么會(huì)鳴響的原理。而從今年起，

他開始了讓鳴沙山“失聲”的沙子重新“唱歌”的工作。

鳴沙記錄中國最早

“是鳴沙，我們找到鳴沙了!”屈建軍高呼起來。這是1991年，他第一次進(jìn)入巴丹吉林沙漠，第一次與鳴沙親密接觸。當(dāng)時(shí)他深深地被這種奇特的自然現(xiàn)象所吸引，心里頭一直有個(gè)疑問，為什么看起來普通的沙子為什么會(huì)發(fā)出這種聲響。為此他查了多部文獻(xiàn)和資料，發(fā)現(xiàn)我國有四大鳴沙之處，分別是敦煌的鳴沙山、寧夏的沙坡頭、巴丹吉林沙漠和內(nèi)蒙的響沙灣，但是到目前為止還有鳴沙現(xiàn)象的只有巴丹吉林沙漠。此外，他還發(fā)現(xiàn)鳴沙并不是只有中國才有。

屈建軍告訴記者，鳴沙又叫響沙、哨沙或音樂沙，它是一種奇特的卻在世界上普遍存在的自然現(xiàn)象。美國的長島、馬薩諸塞灣、威爾斯兩岸;英國的諾森伯蘭海岸;丹麥有聲音的波恩賀爾姆島;波蘭的科爾堡;還有蒙古戈壁灘、智利阿塔卡瑪沙漠、沙特阿拉伯的一些沙灘和沙漠，都會(huì)發(fā)出奇特的聲響。據(jù)說，世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了100多種類似的沙灘和沙漠。

世界上記載鳴沙現(xiàn)象以中國最早，鳴沙山已經(jīng)形成3000多年，而鳴沙的記載也由來已久。東漢《辛氏三秦記》：“河西有沙角山，峰愕危峻，逾于石山，其沙粒粗色黃，有如干躇。”這里沙角山即為敦煌鳴沙山。魏晉《西河舊事》中記載：“沙州，天氣晴明，即有沙鳴，聞?dòng)诔莾?nèi)。人游沙山，結(jié)侶少，或未游即生怖懼，莫敢前。”

唐朝由于民族間的進(jìn)一步融合，文字記載已經(jīng)大量出現(xiàn)。《沙州圖經(jīng)》中說，“流動(dòng)無定，俄然深谷為陵，高巖為谷，峰危似削，孤煙如畫，夕疑無地。”《元和郡縣志》中記載：“鳴沙山一名神山，在縣南七里，其山積沙為之，峰巒危峭，逾于石山，四周皆為沙壟，背有如刀刃，人登之即鳴，隨足頹落，經(jīng)宿吹風(fēng)，輒復(fù)如舊。”五代的《敦煌錄》記載：“鳴沙山去州十里。其山東西八十里，南北四十里，高處五百尺，悉純沙聚起。此山神異，峰如削成。”

鳴沙這種自然現(xiàn)象在世界上不僅分布廣，而且沙子發(fā)出來聲音也是多種多樣的。比如說，在美國夏威夷群島的高阿夷島上的沙子，會(huì)發(fā)出一陣陣好像狗叫一樣的聲音，所以人們稱它是“犬吠沙”。蘇格蘭愛格島上的沙子，卻能發(fā)出一種尖銳響亮的聲音，就好像食指在拉緊的絲弦上彈了一下。在中國的鳴沙山滾下來，那沙子就會(huì)像竺可楨描述的那樣“發(fā)出轟隆的巨響，像打雷一樣。”

破解鳴沙之謎

　　過了不久，寒旱所的科研人員赴敦煌鳴

沙山去做一項(xiàng)科學(xué)考察，來到鳴沙山之后科研人員聽到不少游客都在說：“鳴沙山不鳴，真是名不副實(shí)。”這讓他們也感覺到非常遺憾。隨后屈建軍和他的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)不只是鳴沙山、沙坡頭、響沙灣的鳴沙現(xiàn)象消失了，世界上很多地方的鳴沙都逐漸“失聲”。

為了解開鳴沙不鳴之謎，屈建軍把世界各地的沙子帶進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，用電子探針進(jìn)行對比分析，終于在2005年的時(shí)候，他發(fā)現(xiàn)會(huì)“唱歌”的沙子表面有很多小孔，成千上萬的鳴沙在流動(dòng)過程中互相碰撞發(fā)出聲音，就形成了上述奇觀。

而“啞沙”表面的孔被堵住了，就不能發(fā)出聲音了。所以，環(huán)境污染和人類活動(dòng)增加是鳴沙變“啞沙”的主要原因。他的研究表明，水分是影響鳴沙聲發(fā)射的主要環(huán)境因子，其臨界值為0.3%，而溫度、坡度等因子則影響不大。

后來經(jīng)過多次試驗(yàn)，又在2011年發(fā)現(xiàn)鳴沙發(fā)聲與沙粒表面有無SiO2凝膠無關(guān)，也與其表面的化學(xué)組成無關(guān)，而與其表面多孔(坑)狀的物理結(jié)構(gòu)有關(guān)。由此看來，自然沙粒表面由風(fēng)蝕、水蝕、化學(xué)溶蝕及硅凝膠沉淀等多種因素所形成的多孔(坑)狀結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的共鳴腔，才是鳴沙發(fā)聲的關(guān)鍵所在。

其共鳴機(jī)制與亥姆霍茲共鳴腔相似：在外力作用下，無數(shù)表面光滑多孔的球狀顆粒，在運(yùn)動(dòng)過程中因互相摩擦碰撞產(chǎn)生極微弱的振動(dòng)聲響，經(jīng)大量的表面空腔共振放大，從而使人耳接收到運(yùn)動(dòng)沙粒的發(fā)聲頻譜。

當(dāng)年又發(fā)現(xiàn)了粉塵對鳴沙發(fā)聲具有阻尼作用。在自然界中，粉塵或更細(xì)的粘粒等雜質(zhì)侵入沙粒表面的孔洞時(shí)，由其所產(chǎn)生的阻尼作用，可導(dǎo)致鳴沙共鳴機(jī)制喪失，而變?yōu)椤皢∩场薄＿@是自然界中沙漠石英顆粒表面SiO2凝膠及多孔(坑)狀結(jié)構(gòu)普遍存在，而鳴沙現(xiàn)象卻十分罕見的原因。因此，清除石英沙粒表面各種細(xì)小雜質(zhì)對多孔結(jié)構(gòu)的污染，是恢復(fù)鳴沙發(fā)聲的有效途徑。

“鳴沙發(fā)聲機(jī)理是風(fēng)沙物理學(xué)奠基人都沒有解釋清楚的問題，屈建軍解決了該領(lǐng)域遺留多年的重大科學(xué)問題。”中科院寒旱所研究員董光榮評價(jià)說，這是風(fēng)沙物理領(lǐng)域中具有世界水平的重要進(jìn)展。美國《科學(xué)》雜志亞洲副主編RichardStone在看過屈建軍的鳴沙實(shí)驗(yàn)后認(rèn)為：“這是一個(gè)了不起的成果。”