神秘的多边形图案，有了一种科学的解释

盐漠是地球上最极端、最荒凉的地方之一，它就仿佛外星之地，包含着许多奇异的景观。它们甚至被用在了科幻电影中，比如《星球大战：最后的绝地武士》中沙漠星球克瑞特的背景。

《星球大战：最后的绝地武士》剧照。（图/LucasFilm）

盐漠中的那种类似蜂窝状的图案，也是每年吸引着数以万计的游客的原因之一。这些神秘的盐碱结构大多呈现五边形和六边形，大小很相似，它们出现在世界各地的盐漠中，比如美国加利福尼亚州死亡谷的恶水盆地和玻利维亚的乌尤尼盐湖。

蜂窝状盐图案。（图/ Shann Yu, Flickr, CC BY-ND）

这些盐碱多边形出现在地下水蒸发速率远超过降水速率的地区。在这些地方，地表的蒸发被来自更远处的地下水的持续流动所平衡。这些水上升到地表，导致连续性的蒸发，甚至在没有降水的情况下，也会留下盐碱的残留物。

但问题在于，为什么这些残留物会形成脊，勾画出多边形的图案？甚至在当地的地质、盐化学和环境条件各有不同的情况下，这些图案都如此相似？

一直以来，这些图案的起源及其标志性的形状和大小的形成机制一直难以得到解释。直到近日，一组跨国研究团队通过实验和模拟分析，一同提出了一种更合理的解释。在《物理评论X》上，他们描述了盐水在地下的对流是如何让这种蜂窝状的盐图案形成的。这些图案的恒定尺寸和生长速度，同样可以归因于此。

对流的塑造

之前有人认为，是盐漠的盐壳变干形成裂缝，导致了这种图案在裂缝周围生长。还有人认为，是盐壳不断增长，直至缺乏空间而发生弯曲，从而形成了这些图案。然而，这两种说法都不能解释它始终如一的尺寸和图案——它们都在一到两米之间，呈蜂窝状。

为了弄清这个自然之谜，作者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，从多个方向调查了这一现象。

他们在实验室实验中观察了盐水如何在沙质土壤中移动，在数值模拟中分析了不同条件下模式的长度尺度，并在加利福尼亚的两项实地研究中观察了自然中的模式，收集了样本，并发现地表可见的模式与地下的水流有关。

研究人员在实验、模拟和实地研究中收集的证据，都指向了同一种的解释：盐壳下的土壤中盐水的对流或循环，是这些图案形成的驱动机制。出现这些图案的盐漠不是完全干的，高盐度的地下水实则往往能直达盐壳之下。当这些盐水随后在炎热的夏季阳光下蒸发时，盐就会留下来。这使得在地表下的上层地下水盐度更高，因此比下面的淡水更重。如果这种盐度差异足够大，靠近地表更咸的水便会开始向下沉，而更淡的水从下面升起。这就类似散热器中的冷热水循环对流，咸水和更淡的水在地表下形成了对流循环。

盐漠的地下活动模拟。地下水盐度从0（黄色）到最大值（黑色），表面盐流动从最大向上流（深蓝色）到最大向下流（红色）。（图/ J. Lasser et al.）

单一的对流循环会出现一种圆形的形状，这样可以最大限度地增加对流包围的体积，同时让周长最小。然而，当许多相邻的对流在地上发展时，它们就会被“挤压”在一起，形成六边形、蜂窝状的图案，沿着图案边缘，盐度很高的水向下沉。在含盐量特别高的地方，盐也在表面结晶得更多。随着时间的推移，由此产生的壳便形成了凸起的峰和边缘，形成了蜂窝状的盐图案。

好奇心的驱使

这是好奇心驱使的基础研究的一个例子。自然向我们展示了一个迷人的谜题，刺激了科学家的好奇心，促使我们去解开它。

除了满足好奇心之外，对盐漠地形的了解还有助于预测有多少富含矿物的尘埃会从盐漠表面脱落并被卷进大气。而这些尘埃在云的形成和矿物进入海洋的运输中发挥了重要作用。

参考来源：

https://www.tugraz.at/en/tu-graz/services/news-stories/media-service/singleview/article/wie-muster-in-salzwuesten-entstehen

https://www.ntu.ac.uk/about-us/news/news-articles/2023/02/scientists-solve-mystery-of-salt-deserts-unusual-honeycomb-patterns

https://physics.aps.org/articles/v16/31

https://www.sciencenews.org/article/geometric-patterns-salt-flats-worldwide

封面图&首图：Shann Yu, Flickr, CC BY-ND