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揭秘鸣沙现象形成原理 沙丘歌声来自弹性波(图)

http://www.kexue.com 2009-12-20 11:13:11 新浪科技  发表评论
鸣沙现象原理
鸣沙现象原理

  北京时间12月20日消息,据美国媒体报道,“鸣沙”现象是一种普遍存在的自然现象,在全球已经发现了数十处沙滩或沙漠存在“鸣沙”现象。对于这一现象的形成原因,科学家们多年来一直未能找到一个明确的答案。近日,法国巴黎市立高等工业物理化学学院科学家经研究发现,“鸣沙”的形成原理事实上是一种全新的发声方式,这种声音是由上层运动的沙粒与下层固定的沙层之间摩擦而产生的一种弹性波所引起的。

  在全球范围内,有三十多个地方存在沙丘“鸣沙”现象。这一奇怪现象多年来一直令科学家们感到迷惑不解,也激起了大批探险家和游客的猎奇欲望。“鸣沙”形成的场合很多。当沙丘出现沙崩时,就有可能会发出一种响亮而单调的声音,这种声音有的可能会持续数分钟,一英里(约合1.6公里)外的地方都可以听得到。有时候这种声音甚至会被误以为是低空飞行的飞机所发出的噪音。事实上,沙子发出的声音是多种多样的,有的像音乐,有的像雷声,还有的则完全是噪音。

  虽然科学家们对“鸣沙”现象的形成原因进行了多年的研究,并给出了一些推测性的解释,但真正的确切原理一直是一个未解之谜。此前,有些研究人员发现风力并不是“鸣沙”现象形成的主要原因,因为不管是在实验室里还是在沙漠之上,当人们用手移动沙堆时,都可能会发出同样的声响。此外,还有一些科学家们认识到,“鸣沙”现象也不完全是由整个沙丘的共鸣所产生的,而沙粒本身的运动也会发出声响。然而,多年来不同的研究团队给出了不同的解释,有的甚至是相互矛盾的。比如,关于沙粒的振动问题,有的科学家认为这是一种有规律间断性运动,有的则认为这是一种与沙粒碰撞同步形成的表面波动。

  近日,法国巴黎市立高等工业物理化学学院(法语缩写为:ESPCI)科学家布鲁诺-安德列奥蒂和莱纳德-波恩尼奥对“鸣沙”现象有了新的发现。经过对沙丘形成阶段的发声机制进行长期研究,布鲁诺和莱纳德提出了一种全新的理论。他们认为,这种声音是由上层运动的沙粒与沙丘下层固定的沙层之间摩擦而产生的一种弹性波所引起的。

  布鲁诺和莱纳德在非洲摩洛哥境内撒哈拉沙漠中对他们的理论进行了验证,他们共进行了50次的沙崩试验。在实验中,科学家们发现这种弹性波可以通过下层静态的沙地进行全方位传播。当由沙丘背后传出的弹性波从两侧绕过沙丘传播到前面后,就会产生相长干涉现象。两波重叠后,合成波的振幅于是就得到增加,振幅明显大于成分波。摩擦界面上的弹性波经过反射从而由剪切运动中吸取能量到相干声波之中,而这种相干声波就是“鸣沙”的声音来源。

  布鲁诺解释说,“对于鸣沙现象,我们首次建立了一个模型。它可以将沙崩与静态沙丘区分开来形成剪切带,并通过这种剪切带预测震波。此前,人们在解释鸣沙现象时,都忽略了这一重要因素。只有真正解释了鸣沙现象的形成原理,才可以考虑如何利用鸣沙现象。”此前很多人只知道自然界存在“鸣沙”现象,但几乎没有人意识到这项研究的重要性。布鲁诺认为,“对鸣沙现象的研究可以发现复杂机制中不同部分之间的协作原理,并可将其应用于其他各种领域。比如,在鸣沙现象中存在流体与振动之间的联系,这种联系在许多应用领域都有存在。”

  由于在“鸣沙”研究领域还有其他许多科学家,他们对“鸣沙”现象产生原理都持有不同观点,布鲁诺的研究成果肯定将会引起巨大的争议。布鲁诺表示,“这一课题本来就是一个颇具争议性的课题。”(彬彬)

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