科学家20年研究鸣沙 "失声"鸣沙山有望重新鸣响

　　说起敦煌的鸣沙山，没有几个人不知道，因为它实在太特殊了。鸣沙山不同于普通的沙丘，当沙子沿着沙丘向下滑动时，便会发出低沉的声音，时而如飞机轰鸣，时而如铃响，时而如钟鸣。可是，这一自然奇观却在上世纪80年代末逐渐消失了，让不少慕名而去的游客觉得鸣沙山名不副实。为此，中科院寒旱所屈建军研究员从1991年开始历经20余年的研究，终于在2011年发现了鸣沙不鸣的原因，2012年，屈建军的研究成果向科学界发表之后，得到了同行的普遍认可，目前已经成为基本公认的鸣沙为什么会鸣响的原理。而从今年起，他开始了让鸣沙山“失声”的沙子重新“唱歌”的工作。

　　鸣沙记录中国最早

　　“是鸣沙，我们找到鸣沙了！”屈建军高呼起来。这是1991年，他第一次进入巴丹吉林沙漠，第一次与鸣沙亲密接触。当时他深深地被这种奇特的自然现象所吸引，心里头一直有个疑问，为什么看起来普通的沙子为什么会发出这种声响。为此他查了多部文献和资料，发现我国有四大鸣沙之处，分别是敦煌的鸣沙山、宁夏的沙坡头、巴丹吉林沙漠和内蒙的响沙湾，但是到目前为止还有鸣沙现象的只有巴丹吉林沙漠。此外，他还发现鸣沙并不是只有中国才有。

　　屈建军告诉记者，鸣沙又叫响沙、哨沙或音乐沙，它是一种奇特的却在世界上普遍存在的自然现象。美国的长岛、马萨诸塞湾、威尔斯两岸；英国的诺森伯兰海岸；丹麦有声音的波恩贺尔姆岛；波兰的科尔堡；还有蒙古戈壁滩、智利阿塔卡玛沙漠、沙特阿拉伯的一些沙滩和沙漠，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。

　　世界上记载鸣沙现象以中国最早，鸣沙山已经形成3000多年，而鸣沙的记载也由来已久。东汉《辛氏三秦记》：“河西有沙角山，峰愕危峻，逾于石山，其沙粒粗色黄，有如干躇。”这里沙角山即为敦煌鸣沙山。魏晋《西河旧事》中记载：“沙州，天气晴明，即有沙鸣，闻于城内。人游沙山，结侣少，或未游即生怖惧，莫敢前。”

　　唐朝由于民族间的进一步融合，文字记载已经大量出现。《沙州图经》中说，“流动无定，俄然深谷为陵，高岩为谷，峰危似削，孤烟如画，夕疑无地。”《元和郡县志》中记载：“鸣沙山一名神山，在县南七里，其山积沙为之，峰峦危峭，逾于石山，四周皆为沙垄，背有如刀刃，人登之即鸣，随足颓落，经宿吹风，辄复如旧。”五代的《敦煌录》记载：“鸣沙山去州十里。其山东西八十里，南北四十里，高处五百尺，悉纯沙聚起。此山神异，峰如削成。”

　　鸣沙这种自然现象在世界上不仅分布广，而且沙子发出来声音也是多种多样的。比如说，在美国夏威夷群岛的高阿夷岛上的沙子，会发出一阵阵好像狗叫一样的声音，所以人们称它是“犬吠沙”。苏格兰爱格岛上的沙子，却能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。在中国的鸣沙山滚下来，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。”

　　破解鸣沙之谜

　　过了不久，寒旱所的科研人员赴敦煌鸣沙山去做一项科学考察，来到鸣沙山之后科研人员听到不少游客都在说：“鸣沙山不鸣，真是名不副实。”这让他们也感觉到非常遗憾。随后屈建军和他的科研团队发现不只是鸣沙山、沙坡头、响沙湾的鸣沙现象消失了，世界上很多地方的鸣沙都逐渐“失声”。

　　为了解开鸣沙不鸣之谜，屈建军把世界各地的沙子带进实验室，用电子探针进行对比分析，终于在2005年的时候，他发现会“唱歌”的沙子表面有很多小孔，成千上万的鸣沙在流动过程中互相碰撞发出声音，就形成了上述奇观。

　　而“哑沙”表面的孔被堵住了，就不能发出声音了。所以，环境污染和人类活动增加是鸣沙变“哑沙”的主要原因。他的研究表明，水分是影响鸣沙声发射的主要环境因子，其临界值为0.3%，而温度、坡度等因子则影响不大。

　　后来经过多次试验，又在2011年发现鸣沙发声与沙粒表面有无SiO2凝胶无关，也与其表面的化学组成无关，而与其表面多孔(坑)状的物理结构有关。由此看来，自然沙粒表面由风蚀、水蚀、化学溶蚀及硅凝胶沉淀等多种因素所形成的多孔(坑)状结构所构成的共鸣腔，才是鸣沙发声的关键所在。

　　其共鸣机制与亥姆霍兹共鸣腔相似：在外力作用下，无数表面光滑多孔的球状颗粒，在运动过程中因互相摩擦碰撞产生极微弱的振动声响，经大量的表面空腔共振放大，从而使人耳接收到运动沙粒的发声频谱。

　　当年又发现了粉尘对鸣沙发声具有阻尼作用。在自然界中，粉尘或更细的粘粒等杂质侵入沙粒表面的孔洞时，由其所产生的阻尼作用，可导致鸣沙共鸣机制丧失，而变为“哑沙”。这是自然界中沙漠石英颗粒表面SiO2凝胶及多孔(坑)状结构普遍存在，而鸣沙现象却十分罕见的原因。因此，清除石英沙粒表面各种细小杂质对多孔结构的污染，是恢复鸣沙发声的有效途径。

　　“鸣沙发声机理是风沙物理学奠基人都没有解释清楚的问题，屈建军解决了该领域遗留多年的重大科学问题。”中科院寒旱所研究员董光荣评价说，这是风沙物理领域中具有世界水平的重要进展。美国《科学》杂志亚洲副主编RichardStone在看过屈建军的鸣沙实验后认为：“这是一个了不起的成果。”

　　鸣沙原理从纷争到定论

　　记者在采访中了解到，文献记录鸣沙现象虽早，但多少代以来古人对鸣沙的原理百思不得其解，直到20世纪40年代，世界上才首次有人用科学方法去探究。而且在寒旱所的这项成果发现之前，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。之前最为盛行的说法有三种，第一种为静电发声说。认为鸣沙山沙粒在人力或风力的推动下向下流泻，含有石英晶体的沙粒互相摩擦产生静电。静电放电即发出声响，响声汇集，声大如雷。第二种为摩擦发声说。认为天气炎热时，沙粒特别干燥而且温度增高。稍有摩擦，即可发出爆烈声，众声汇合一起便轰轰隆隆而鸣。第三种为共鸣放大说。沙山群峰之间形成了壑谷，是天然的共鸣箱。流沙下泻时发出的摩擦声或放电声引起共振，经过共鸣箱的共鸣作用，放大了音量，形成巨大的回响声。

　　但是随着近些年的研究，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，都可能会发出同样鸣沙的声响。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。

　　2012年，屈建军的研究成果向科学界发表之后，得到了同行的普遍认可，目前已经成为基本公认的鸣沙为什么会鸣响的原理。

　　希望让鸣沙现象重现

　　弄清楚鸣沙发声原理后，屈建军没有让它仅仅停留在书本上，他还想让鸣沙创造社会经济价值，然后把这些经济价值再投入到对鸣沙现象的恢复上。他想让人们能亲身体验到“忽而声响如万马奔腾、忽而柔细若琴若笛”这种神奇的自然现象，希望人们能珍惜大自然对人类的赠予。

　　“就像掏耳朵一样，把堵在‘哑沙’小孔里的脏东西洗干净，鸣沙就响了。”经过20余年的研究，屈建军通过“洗沙”的方法，让“哑沙”再度“唱”起歌来。

　　抓一把经过处理的鸣沙，放在鹅蛋大小的透明玻璃瓶中，再配上一个小小的玻璃锤，用小锤按压沙子，就会发出类似鸽子叫的声音。这是屈建军让鸣沙创造经济价值的一个小发明。

　　在接受记者采访的时候，屈建军还拿出一双可以套在鞋子上的木屐。当穿上木屐踩上经过处理的沙子时，沙面就会发出一阵阵好像狗叫的声音。“这与美国夏威夷群岛高阿夷岛上的‘犬吠沙’现象一致。我也已经将这一研究成果申请专利，在沙坡头的沙漠博物馆大家都可以体验到。”

　　屈建军告诉记者，目前，这一奇特的自然现象已“入驻”沙坡头风景名胜区沙漠博物馆内，算是小规模的恢复了沙坡头的鸣沙现象，游客可以亲身体验鸣沙的奥秘，鸣沙成了重要的旅游资源。此外他还说：“我希望可以把这种现象带入到全国各地的科技馆和博物馆，让孩子们可以近距离的接触到这种奇特的自然现象，对他们进行很好的科普，让他们也爱上自然爱上奇妙的科学。”

　　“屈建军建立了跨领域实验室，他结合力学、空气动力学等学科的研究方法让‘哑沙’复声，研究思路非常开阔。”中科院新疆生地所副所长雷加强说，屈建军的这项研究成果获得了同行专家的高度认可。而屈建军开发的鸣沙衍生产品，不仅对科普宣传具有重要意义，还实现了机理研究与产业化紧密结合，使科学研究不仅仅停留在书本上。

　　从今年开始，屈建军在鸣沙山做滑沙的实验，他希望可以先在鸣沙山地区建一个小型的滑沙馆，小面积的恢复鸣沙现象，让游人不再认为鸣沙山名不副实。然后再通过其他手段大规模的再现鸣沙山“人马践之，声振数十里”的奇观是他的愿望。

　　记者孙理