书城自然地里万千
9566400000023

第23章 荒漠、岩石与矿物(2)

这种观点似乎有些道理。然而,当科学家把两种沙放在显微镜下仔细对比时,发现流沙和普通沙子一样,也是由棱角状沙粒构成的。

那么,会不会是因为沙粒的表面有一层润滑液之类的东西呢?有人提出了这个问题。如果沙粒表面真有润滑液存在,那么沙粒之间的摩擦力较小,自然放置其上的物体也就容易下陷。可是,人们在沙粒表面并没有找到所谓的润滑液。

后来,一位地质学家揭开了这个秘密。

着名地质学教授史密斯博士来到一个有流沙分布的地区,发现流沙与普通的沙地并无二致。他捡起一块石头随手扔出去,落在流沙上面的石头转瞬间就不见了。史密斯小心翼地将一些流沙区的沙子取回,盛于桶中,并让沙子保持原有的湿度,然后沙子上面放了一块儿石子,但是石子并未沉下去。因此博士认为,流沙陷阱的形成与沙子的湿度并没有关系。

于是史密斯博士又一次来到流沙分布地区,向当地百姓询问、了解有关流沙的情况。当地的百姓告诉他,流沙并不是总陷人的,人们在每年的8月份,甚至可以在流沙上跳舞而无任何危险。

在这里,8月份是干旱季节,而流沙不陷人,那么看来还是水在作怪了。于是,史密斯就用一个大桶装满了沙子,在桶的上下部分别装置了几个水管,使水既能从上部输入,从下面流出,又能从下面流入,从上部流出;然后又制作了一个与人体比重相同的玩具人放在桶内的沙子上面。

史密斯经过几次不同的实验发现:当沙桶里的沙子呈干燥状态时,玩具人就能在沙子上站立或躺卧;当沙子湿润时,玩具人也并不下沉;当水从上面注入时,玩具人也不下沉;而当水从下面注入,向上透过沙层流出时,玩具人就马上下沉了;而且玩具人的比重越大,沙粒越细,水流越强,玩具人下沉的速度就越快。

史密斯博士由此得出结论:沙土内的水流上涌时,就会形成流沙。水流的上冲力会使沙粒相互离散,不再互相叠接,而是被水托着,呈半飘浮状态,从而导致比重大于水的物体下沉。

据此,流沙的秘密也被人揭开了:流沙陷人,是因为地下水涌入沙内引起的。原来,上流的水冲力可使沙粒互相散开,沙粒不再互相叠接,而是被水托着,呈半漂浮状态。在这种情况下,物体进入沙面上,就会像在水中一样向下沉陷。

通过研究还发现,陷入流沙后的物体,下陷速度取决于物体自身的密度。流沙的密度一般是2克/毫升,而人的密度是1克/毫升。在这种情况下,人身体沉没于流沙之中并不会有灭顶之灾,下陷往往会止于腰部。研究者还发现,即使是一些密度大于流沙很多的物体,也能浮于流沙之上。研究人员在实验中将一个密度为2.7克/毫升的铝盆放在流沙的顶部,尽管铝盆密度大于流沙,但在流沙浮力和沙面张力的作用影响之下,铝盆仍能平静地呆在流沙的表面。可是当科学家轻轻摇晃这个铝制容器时,情况就不同了,容器稍微有一点下陷。当科学家摇晃的力度再加大时,这个容器就慢慢地沉入沙底了。

流沙的巨大力量

从撒哈拉大沙漠中取得的由沙子和盐水混合构成的流沙样品,呈半固体状态,这些颗粒松散地堆积在一起。沙粒堆积起来,使其看似有了稳定的表面,但即使是承受很小的压力,流沙的整体框架也会立即坍塌。浓厚的“沙浆”堆积在底层,它能粘住所有的物体,使其动弹不得;而更为危险的是流沙中的超细颗粒——它使流沙具有一种巨大的夹紧力,足以致人于死地。

由此,研究者通过分析认为,陷入流沙中的人一般来说是无法动弹的。因为沙子在密度增加之后,会粘在掉进流沙里的人的下半部身体上,对人的身体会造成很大的压力,让人很难使出力来。即使是大力士,要想一下子将受困者从流沙中拖出来,也是很困难的。

研究人员计算,如果拖出受困者的一只以1厘米/秒的速度进行的话,就需要约10万牛顿的力,大约等同于举起一部中型汽车所需要的力量。所以除非有吊车帮忙,否则很难一下子把掉入流沙内的人拉出来。研究还指出,按照这种力量的计算,如果生拉硬拽的话,那么在流沙“松手”之前,人的身体就已经被强大的力量扯断了。这种行为造成的危险,远高于让人暂时停在流沙当中。

小知识——陷入流沙如何自救

实际上,和一般的沙子相比,绝大多数流沙与其区别并不大,并不像我们在电影看到得那么可怕。在原理上,它只是在沙子中渗入了水,因为沙粒之间的摩擦力变小,于是形成了半液态、难以承重的沙水混合物。流沙只有一种状况会把人淹死,那就是当头部先掉入沙中的时候,然而以这种方式掉入流沙有极小的概率。人一旦不小心陷在流沙中,一般仅会感到胸部有些压力,呼吸较困难,但并不会出现生命危险。而受困者最可怕的敌人,是流沙附近上涨的潮水。

其实,我们还是有办法来摆脱流沙的,那就是受困的人应该轻柔地移动两只脚,尽量地让水和沙子渗入挤出来的真空区域,这样就能使身体所受的压力得以缓解,同时让沙子慢慢变得松散。另外,还要努力尽量分开四肢,因为只有身体接触沙子的表面积越大,得到的浮力才会越大。只要有足够耐心,动作足够轻缓,就能慢慢地从流沙从脱身。

在流体力学中,流沙属于膨胀性流体,亦即剪力愈大的话,流沙用来抵御剪切运动的粘性也就愈大。这也是为什么要用吊车才能把人拉出来的原理。就是因为随着粘性的增加,流沙阻碍人向上运动的力也就增加了。

土壤侵蚀与沙漠化

所谓土壤侵蚀,是指在风或水的作用下,土壤物质被破坏、带走的作用过程。以风为作用力使土粒飞散,导致的土壤侵蚀叫做风蚀;由于水的作用而将土壤冲刷到其他地方现象,叫做水蚀,即我们平常所说的水土流失。通常来说,纯粹由自然因素引起的地表侵蚀过程速度是非常缓慢的。然而在人类的影响下,尤其是当人类严重破坏植被后,更会扩大和加速自然因素引起的地表土壤破坏和土地物质的流失。

土壤侵蚀的分类

土壤侵蚀可分为水蚀和风蚀。水蚀,即水土流失,指在自然或人为因素影响下导致的地表土壤水分和土壤同时流失的现象。通常来说地面坡度大、植被遭受破坏、土地利用不当、耕作技术不合理、滥伐森林及过度放牧等,都可以造成或加剧水土流失。

在原始森林中,植物和土壤之间都是彼此依赖的,处于相对平衡的状态。但是,随着人口的增加,人类为了获得更多的粮食,就会开辟林地为农田,这样一来,自然环境就会逐渐被破坏;且栽培的作物还难以覆盖全部的土地表面,也会加剧风雨对土壤的侵蚀。尤其是当农作物收割后,土壤就会直接暴露在风雨的冲击下,细小的土粒更是随风飞散,随水流失,导致土壤恶化,肥效降低,逐渐不利于植物的生长。这种由于水的作用而将土壤冲刷到其他地方的现象,就是水蚀,也就是我们通常所说的水土流失。它的发展过程,通常是由面蚀发展到沟蚀,最终导致土地的全面破坏。

所谓面蚀,指被雨水分散的土粒随地表细微的径流比较均匀地流失。这种现象主要发生在丘陵山洞的顶部以及径流尚未集中的地区。沟蚀则指地表径流汇集成细股而继续增大时,坡面被冲刷成大小不同的沟槽。长期面蚀的结果,就是导致表层肥沃细土粒被冲失,土壤变薄、质地变粗、土壤肥力下降。

沟蚀,不仅会冲走分散的细土粒,还会冲走粗土粒和小土块,从而令地面支离破碎,耕地面积减少,给农业生产带来巨大困难。而且由于水土流失,泥沙淤积,河流航道也会堵塞,湖泊、水库等寿命都会缩短。

另一种土壤侵蚀是风蚀。由于地表的植被被破坏,土质松软干燥,这时风沙吹拂地面时就会造成风蚀。风蚀毁坏土壤,被吹动的土壤会因重新堆积而掩埋河道、湖泊和农田,从而降低土壤肥力,给人类带来危害。

如今,土壤侵蚀已成为世界各国农业生产上最严重的问题之一,全球每年就大约有240亿的土壤流失。

土壤沙漠化

沙漠化是危害农业的另一大危害。据1977年联合国关于沙漠化会议的统计,全世界已受沙漠化威胁和将受沙漠化影响的土地达3800万平方千米,大约相当于4个中国国土面积。而全球因沙漠化失去的土地,每年都会高达600多万公顷。在我国,每年也有1500多平方千米的土地沙漠化。世界上大约有150多个国家和地区中,至少有2/3收到沙漠化的影响,15%的人口也受到沙漠化的威胁。

什么原因导致土地出现沙漠化呢?据土壤学家研究认为,这种情况主要由于过度放牧、大风侵蚀和气候干燥所致。

通常来说,为保持一片草原的生产力,牧草的产量就必须大于牲畜的消耗量。如果牧草的生产量小于牲畜的消耗水平,再继续放牧就会直接破坏牧草的再生能力,导致草原成为荒漠。一直以来,我国北方新沙漠的形成,其中一个重要原因就是放牧过度。

从森林到草原,再到荒漠的转变,与降雨量的逐渐减少、天气干旱也有关。现在,沙漠化地区主要分布在荒漠边缘干旱和半干旱的草原区,这些地区雨量稀少,蒸发量大,气候干燥,风沙大,植被一旦被破坏,土壤就会受到严重风蚀,导致土壤沙漠化。

在我国北方地区,沙漠化土地主要有两种类型,一是风力作用下沙漠中沙丘前移入侵,导致沙漠边缘土地丧失,比如塔里木盆地南部的塔克拉玛干沙漠边缘、柴达木盆地等,都是自然因素导致的;而是由于对土地过度开垦、放牧、砍伐等不正确利用所致,使得植被被破坏,引起沙漠化,比如内蒙古东部的科尔沁草原等。

现在,我国绝大部分的沙漠化土地都是人为因素造成的。在一些生态平衡脆弱的地区,土地维持人口生活的能力很弱。而且由于人口不断增加,稍微利用不当,就可能导致土地沙漠化的蔓延。

相关链接——土地盐渍化

土地盐渍化也是全球干旱和半干旱地区土地利用中存在的严重问题。通常来说,表层含有0.6%~2%以上的易溶盐的土壤,就称为盐渍土。土壤盐渍化严重时,一般的植物都难以成活,土地几乎就是不毛之地。

导致土地盐渍化的因素很多,人类的灌溉活动就是一个很大的因素。在干旱和半干旱地区,正确的灌溉能达到改良盐土的目的;反之,错误的灌溉方式,如灌溉水量过大、灌溉水质不好等,都会导致地下水水位上升,引起土壤盐渍化。由于人类不合理的农业措施而出现的盐渍化,也被称为次生盐渍化,由此生成的盐渍土则被称为次生盐渍土。

次生盐渍化使世界上30多个国家遭受不同程度的危害,严重削弱了土地的生产能力。且由于不合理的灌溉,我国也出现了大面积的次生盐渍化现象,给人类的生产和生活都带来了极大的不便。

沙漠里的奇怪现象

沙漠,又叫做砂漠,指的是沙质的荒漠。地球陆地的1/3都是沙漠。因为其中的水的含量很少,所以一般人都认为沙漠是荒凉而无生命的,因此也有“荒沙”之称。和其他区域相比,沙漠中的生命并不多,但是如果仔细观察,也能发现沙漠中藏着很多动植物,尤其是晚上才出来的动物。

实际上,除了一些正常的自然现象外,沙漠中还有很多奇特的现象,比如海市蜃楼、鸣沙、怪石等,科学家和地质学家曾一度对此感到很困惑。

沙漠里的海市蜃楼

在沿海地带,常会有海市蜃楼发生,偶尔也见于沙漠。在沙漠中,人们会突然看到房屋、人物、山川、河流等景物,并且还可以运动,非常逼真,让人误以为是人间仙境。

之所以能在沙漠当中看到海市蜃楼,是因为白天沙石被太阳晒得灼热,接近沙层的空气升温极快。这就形成了沙层下层热上层冷的温度分布,导致下部空气密度远远要比上层密度小的现象。这时,前方景物的光线就会由密度大的空气向密度小的空气中折射,从而形成下现的蜃景。远远望去,这些景色宛如水中的倒影。而在沙漠中长途跋涉的人,经常会感到酷热干渴,看到这样的蜃景,常常会误认为自己已经到达清凉湖畔。但是,一阵风沙卷过,仍是一望无际的沙漠,这种景象只是一场幻景。

鸣沙

鸣沙,顾名思义,即会发出声音的沙子。鸣沙这种自然现象在世界上普遍存在。美国的长岛、马萨诸塞湾、威尔斯河两岸,英国的诺森伯兰海岸,丹麦的波恩贺尔姆岛,波兰的科尔堡,蒙古的戈壁滩,以及智利的阿塔卡玛沙漠、沙特阿拉伯的一些沙滩和沙漠中,都会发出奇特的声响。据说,世界上已经发现了100多种类似的沙滩和沙漠。

尽管鸣沙现在比较普遍,但鸣沙依然被认为是沙漠中的一种奇特现象。而且,这种沙子发出来的声音具有多种不同的类型。比如,美国夏威夷群岛的高阿夷岛上的沙子,就会发出一阵阵如狗叫一样的声音,所以人们称它是“犬吠沙”;苏格兰爱格岛上的沙子,可以发出一种尖锐响亮的声音,就好像食指在拉紧的丝弦上弹了一下;从中国的鸣沙山上滚下来,那沙子就会像竺可桢描述的那样“发出轰隆的巨响,像打雷一样”的声响。

其实,鸣沙之所以能发出声响,也应该具备三个条件的。第一就是沙丘必须高大陡峭;第二是需要背风向阳,而且背风坡沙面形状必须如月牙;第三是一定要有水从沙丘底下渗出,形成泉和潭,或有大的干河槽。由于经常变化的空气湿度、温度以及风速,不断对沙粒响声的频率和“共鸣箱”的结构造成影响,再加上策动力和沙子本身自有的频率的变动,所以鸣沙的响声也会经常发生改变。有时人们在雨天去看鸣沙,发现鸣沙却没有声响,正是由于鸣沙的“共鸣箱”结构由于温度和湿度的改变而被破坏了。

能“报时”的沙漠怪石

世界上有能够报时的岩石,这听起来似乎很令人不可思议,但的确有一块能“报时”的奇石,屹立于在澳大利亚中部阿利斯西南的广袤沙漠中。这块怪石高达348米,周长约8000米,只算其出露于地面的部分,就可能重几亿吨。

通过每天进行非常规律的颜色改变,这块怪石可以向人们告知时间的流逝:旭日东升的早晨,当阳光普照时,岩石为棕色;烈日顶头的中午,岩石为灰蓝色;夕阳西下的傍晚,岩石又变为红色。它是当地居民的“标准时钟”,根据它一日三次的颜色变化,当地居民可以安排农事以及日常生活。

除了能随强度不同的太阳光进行颜色改变外,怪石还会随着太阳光照射角度的不同而改变形象:有时好似一条巨大的、在海中悠然穿行的鲨鱼的背鳍;有时像一艘潜艇,半浮于海面上,乌黑发亮;还有时如同一位巨人,穿着青衣、斜卧在洁白的软床之上……