互动科普

鸣沙

FrancoNori，Paul， Sholtz，， MichaelBretz*

尽管许多世纪以来人们已经知道了沙能产生声响，但它仍然是自然界的一个令人费解的现象。

几千年来，穿行于沙漠中的游牧民们一直能听到一些神秘的声音．他们认为这些声音是妖魔鬼怪发出的．马可波罗报道说．妖精们一再把各种各样的乐器的声响送人空中．还有鼓声和兵器碰撞声。今天，人们对此有一个非神秘的解释：这各种各样的声响都是由流沙产生的声发射。

在非洲、亚、洲、北美洲和其它地方的沙漠和沙滩中，至少发现了30个鸣沙沙丘。听到鸣响的人把这些沙丘所发出的声音比作钟声、号角声、管风琴声、雾角声、炮火声、雷声、低空飞行的螺旋桨飞机声、电讯线的嗡嗡声．甚至还有人把它比作哀号哭泣或低声歌唱。然而．对于在世界许多地方沙丘在某些条件下究竟是如何以及为何会歌唱．研究人员意见并不一致。

是因为个别沙粒的尺寸或形状造成的吗?是因为沙粒相互作用的方式造成的吗?所有这些因素，以及还有其它一些因素，都在起作用。然而，对于这种现象几乎没有做过什么系统的实验，而且没有哪一种说法能完整地阐明沙子发声的机理．我们也没有得出最后的答案．但我们的目标是提出一些同题，这些问题能为一个令人满意的解释指明方向。沙发出的声音并不总是很强。例如，行走在有些沙滩上，脚下会产生吱吱的声音。这种类型的沙称为“吱吱叫或嘘嘘吹，在世界各地的海滩、湖滨、海岸和河床上都能看到。较少见的是鸣沙．它们不仅让马可渡罗叹为观止，而且引起了达尔文的兴趣．并使得其他不少人大惑不解。沙的轰鸣几乎都只发生在沙漠深处或远离水面均匀的滩上的孤立的大沙丘上。

听沙的人往往把鸣沙的声音与乐器发出的声音作比较．在有些场合，呜声以稳定的节拍出现，昕上去好象大鼓声或手鼓声．在另一些沙丘上．沙所发出的声音更象号声、弦乐声或钟声。这种显著的掘响效果通常只发生在因某种力量将少量的沙进行推移的时候．从而一次只造成一种频率的振动。1994年．我们在内华达州的抄山上观察到所诱发的小规模沙丘崩落发出了一种类似于澳洲土著乐器didgeridoo的声音，那是低沉的嗡嗡节拍。

沙漠的声音

吱吱沙能产生很高频率的声音，在500到2500赫兹之同，持续时间不到四分之一沙。这种响声从音乐上来说很纯，常常包含四五个和谐的泛音。轰鸣沙会发出更大声的低频音，频率在50到300赫兹之间．在较大的沙丘上这种声响可能会持续长达15分钟(不过一般说来只持续几秒或更短的时间)。此外，这种轰响十分嘈杂，包含了众多的邻近频率。从来没有在轰鸣沙中观察到它们含有1个以上的基调泛音。

吱吱沙和轰鸣沙之同存在的显著差异一度曾导致了一种统一的看法．即虽然两种类型的沙都产生声发射．但它们发声的方式必定是极为不同的．然而．在70年代后期，当时在加利福尼亚理工大学工作的Peter K．Haff轰鸣沙上造成了吱吱声，这说明两者之间存在着更为紧密的联系。

为了产生声音．这两种类型的抄都必须被转移。例如，在某些沙上行走，就迫使脚下的沙向下向外转移．产生了吱吱叫声。在轰鸣沙的场合，沙的转移发生在沙丘崩塌的时候。是在崩塌的过程中声音才开始产生．我们的答案也必定隐藏在崩塌中。

在崩塌能够发生之前．风必须把沙丘堆到某一角度，对于干燥的沙漠沙来说．通常这个角度为35度。一旦达到了这一角度，处于沙丘下风一侧的沙就开始下陷．整层的沙相对于下面的沙层滑动．就象一叠斜切的扑克牌。与此同时，上层中的单个沙粒在下层沙粒上翻转．暂时落人下层沙粒中的间隙．接着又再次蹦跳，继续它们的向下行程。它们互相一致的上下运动据信就是沙发出声响的神秘声源．完全形成的崩塌．其中的沙层在滑动大部分时间中都保持着完整，就会有最大的声音输出。在某些地方，所参与移动的沙量相当大。轰鸣声可以在10公里之外听到。

振动还有不少神秘之处。首先，对轰鸣响的抄的多重频率还没有充分了解。70年代，休斯顿大学的OavidR C.riswell和他的合作者发现，每一个频率似乎都具有它自身的升降时间，与其它频率无关。总体看来，这些频率能覆盖一个比较宽的施围，它的宽度是由多种因素决定的。例如，内华达州沙山大致在50到80赫兹频率范围内轰鸣，而利比亚考里卓的沙丘则在50到100赫兹范围内嗡嗡作响。在南非的卡拉哈里沙漠，频率范围在130到300赫兹之间。这种输出也许是由剪切平面中多种振动模式所引起的，往往没有乐感，有点刺耳。

由于它是由大量的沙造成的，轰鸣声也非常响。事实上，由鸣沙发出的声响几乎令人震耳欲聋，发声的振动是如此之强以至于几乎无法在沙上站稳。

着手探索沙的振动特性的理想起点是沙粒本身。大多数沙粒的平均直径，不管是发声的还是不发声的，都是大约300微米。通常，在一个轰鸣沙丘中的沙粒尺寸十分相似，特别是处在下风沙峰附近的沙粒，声音通常是从那儿发出的。这样的尺寸均一性有利于更有效的剪切作用。否则较细小的沙粒会阻碍较粗大的沙粒的平精移动。

并非只有尺寸相似这一点造成了沙的轰鸣。相反，利比亚考里卓和盖尔夫凯比的鸣沙却具有非常宽的沙粒尺寸范围。此外，沉寂的沙丘往往含有与附近轰鸣沙丘同样类型的沙粒。

轰鸣沙的颗粒往往还趋向于具有不同寻常的平滑表面，在微米尺度上具有隆起。轰鸣沙丘常常位于较大的沙源的下风端。经历了在沙漠中长距离的撞击和滚动，这些沙丘中的沙粒通常变得相当光洁。随着时间的推移，一颗沙粒也可能通过在一个移动的沙丘内反复转移而被磨光。而吱吱沙也趋向于极其光滑。

然而，仔细察看内华达州沙山和卡拉哈里的轰鸣沙却揭示，并非所有沙粒都是高度球形圆润的。南非比勒陀利亚的A．D．Lewis在1936年甚至宣称，他曾经用普通的食盐方颗粒产生了轰鸣声．相反，球形的玻璃珠并不能用来发出轰鸣声。这些发现表明，尽管光滑性和圆形程度对发声是至关重要的，但某种程度的粗糙也很关键。

另一个重要因素是湿度，因为潮湿能改变沙粒之间的摩擦力或造成沙团聚在一起，从而阻碍了剪切作用。声音在沙丘中最快干燥的那些部分产生．在沙漠中降雨是很稀少的，但沙丘在保持水份方面却有很明显的效果。然而，接近表面的沙很快就干燥了，处于沙丘顶冠处的沙往往干燥得最快．

在顶冠下风处附近，由于沙粒光洁均匀，缺乏湿度，造成了在剪切过程中更容易发声的条件．又由于风通常把更多的沙沉降在接近下风面的顶部，沙茌那里的积聚就快于较低的区域，慢慢地使沙丘越来越向发生崩塌的地点倾斜．

通常，大块的板状沙丘层在接近顶部处崩塌．在轰鸣抄中，这些板状沙丘层在遇到较缓的斜坡时，往往不会缓慢地形成松散的流沙．相反，它们的上部会崩塌或突然套人下部这些板状沙丘层的最终崩塌都是不同寻常的狂暴猛烈。

要更多地了解产生声音的沙的情况并不容易。研究工作因这种现象的稀缺(特别是轰嗥抄)以及在实验彗难于重复产生沙鸣而受阻。此外，年来研究人员并没有明确地区分轰鸣沙与吱吱沙，使得关于这一题的早期文献不太可靠。

一个世纪的研究

1889年。美国地质学家H、Car­ringtonBolton发表了关于这一现象的首批研究。他提出。因水份的逐渐燕发而沉积在沙位上的可溶性杂质薄膜造成了沙粒发声。在剪切平面之间的弹性空气垫的振动会产生声发射，而音量与音高是由沙粒本身的表面结构修饰的。Bolton本人主要考虑的是吱吱沙，但他使用同一模型来解释轰鸣沙。

大约与此同时，英国科学家CccìlCarus-Wi1sυn提出。只吱吱沙发出的声音是因为各颗沙粒的摩擦效应。他是第一位正确地获得下述结论的人，即发声沙的植通常都是很圆的，而且是“精选的”。“精选的(well sorted)”这一术语用来描述沙拉尺寸的高度一致性。后来。Criswell及其同事对这些结果进行了定量研究。

1960年，英国工程师、野外指挥h。A。Bagnold在《皇家学会会议录》上发表了干燥沙的剪切和膨胀以及‘歌唱机理”。在首次试图全面讨论鸣沙现象时．Bagnold指出．吱吱沙和轰鸣沙实际上都是由相同的过程造成的。他的论点是以膨胀的概念为基础的。膨胀是对沙粒之阋的空隙的量度。他指出．当一层沙滑过另一层沙时，随着上面的沙粒落人下面沙粒之问的空隙之中．它们往往周期性地上升和下降。这一集体振动所产生的声音的频率与沙粒平均尺寸的平方根成反比。

这一机理虽然很不错，却并没有完全描述一个轰鸣事件。例如，它没有解释为何单独一层沙粒能同时产生四五个分离的地面振动模式。它也没有解释通常伴随着漫长沙流的低频节拍。

Bagnold的论点更有助于解释吱吱沙。他指出，踩在吱吱沙上，能使它沿着沙层平面以类似于在崩塌过程中形成的方式发生剪切作用。他坚持认为．唯一的差别在于所施加的力．沙的崩塌和轰鸣是由沙本身的重量引起的．但脚踏在沙上所发生的压迫应力所引起的剪切则造成了吱吱声。事实上．吱吱沙所呈现的频率要比轰鸣沙所造成的频率更符合Bagno]d的模型。探秘我们未能在轰鸣沙上产生吱吱声，但早在1889年就有人提出同一类型的沙能够产生所有这两种声响。Bolton写道:夏威夷的抄'兼有海滩和沙漠中的沙的声学特征，它能产生埃及轰鸣沙丘Jebel Na．gous在崩塌时的同样声响，也能产生苏格兰埃格的沙被装在口袋里受打击所产生的那种特殊的鸣呜声．马萨诸塞州曼彻斯特沙滩和其它海滩上沙的声音．

1970年代，Haff利用加利福尼亚南部的凯尔索沙丘的轰鸣沙产生了高频的吱吱声．这一发现为Bagnold的理论提供了某种程度的支持，即吱吱沙与轰鸣沙的唯一差别在于它们发声的机制不同：前者是因挤压发声，后者是因崩塌发声。然而．能够在实验室里被迫发生。吱吱声的轰鸣沙与自然条件下已知能够吱吱响的沙之间存在着差异。Haff分析表明，从轰鸣沙所发出的吱吱声呈现多重频率，这与真正的吱吱沙所产生的单纯音符不同。

要使沙轰鸣．必须满足几个条件．首先，沙丘必须远离它原先的沙源．这样．风能把沙粒吹送很长的距离，把尺寸相似，相当圆润的沙粒堆积到沙丘的顶部或接近顶部．一场充分的大雨再把尘埃和小颗粒从沙粒之间的空隙处洗刷掉．接下来，必须有一星期或两星期的干旱．最后，必须有充分强的风把沙推到沙丘顶部，以引起一场崩塌．

控制沙发生轰鸣的最关键参数似乎是它对剪切作用的阻力。堆积得太紧密的沙不能发生剪切，而太松散地堆积的沙粒会呈现液体的一些性质，不能适当地剪切。已知所有这些因素影响着沙的发声，但这些因素如何结合起来产生声音，还有待进一步研究。

夏威夷也许是开始研究的一个合适地点。考爱岛和尼豪岛上的背滩沙丘是仅有的两例已知能轰鸣的非沙漠沙．它们的沙比典型的沙漠沙丘具有更大的湿度．沙粒的尺寸也比较大一一直径约460微米。此外，这里的沙与其它任何发声沙种类不同：沙丘主要是由海贝形成的碳酸钙粒子构成，据信是仅有的不是由石英沙构成的轰鸣沙。由于这种不同寻常之处最能够反映出发声的原理，对这些海滩的研究也许是相当有益的．

有可能在铁桶或口袋中复制轰鸣声或吱吱声。然而，为了确切弄清声音是如何产生的，需要深入了解一下剪切过程。也许有可能利用复杂的辐射设备来了解剪切过程，但这种分析现在尚未完成。

一种令人感兴趣的研究方式是了解沙的电学性能．当一粒二氧化硅受到压缩时．它往往在两端产生相反的电荷：这种电荷分离状态能够引起粒子互相吸引。Lewis在1936年观察到，在缓慢倾倒卡拉哈里轰鸣沙的时候．沙粒偶尔会连接起来．形成长达半英寸的缅丝．电子显微照片显示．这些缅丝实际上是带电的。然而我们发现，对沙进行电磨并不会对它的声学输出有所影响。虽然电效应有助于解释湿度为何能阻碍轰鸣．迄今为止还没有人能采集到任何强有力的证据。

另一些有希望的研究途径包括系统地探索轰鸣沙粒的矿物构成．以研究剪切强度在发声过程中的重要性．制造出人工合成的轰鸣沙也应该是有益的．它能让研究人员得以操纵不同的参数，从而测试这些参数在发声过程中的作用。

但是会歌唱的沙的最动人之处或许在于它仍然保持着人们尚未解决的秘密。

图l世界地部有轰鸣沙丘(红色圆点)：本图均匀地图和照片示出了其中一部分。轰鸣沙丘产生的声响具有一个频率范围(a)有明显的节奏拖得很绵长(b)．吱吱沙产生的声音包含某一音旧若干泛音(c)，持续时问也非常短(d)．

图2:当几个事件建立起适当的条件后，会在生沙丘的擎鸣。当堆积的角度比34度的陡时，沙丘便崩塌。上层的沙越过下层的沙(8)。反复地上下翻转一层，是一致性的上下运动造成了沙丘的轰鸣。

图3电子显微照片显示．从密执安州贝城霍伦湖所采集的普通湖滩沙的沙粒具有很粗糙的边角C上．从密执安州鲁定顿市的密执安湖所采集的湖滩则较光滑(中)。内华达州钞“所采集的轰鸣钞则更为光洁(下)。