Vì sao một số sa mạc có thể phát ra âm thanh kỳ quái?

Sa mạc không phải lúc nào cũng là cảnh quan im lặng. Trong điều kiện thích hợp, một số cồn cát sẽ trở nên sống động với những ân thanh kỳ lạ mà nó tạo ra - những tiếng nổ sâu, tiếng ầm ầm hoặc thậm chí là tiếng vo ve đầy ám ảnh. Hiện tượng này, được gọi là cồn cát biết hát, đã làm say mê các nhà thám hiểm và nhà khoa học trong nhiều thế kỷ. Nhưng điều gì khiến những cồn cát này tạo ra âm thanh như vậy?

Trong chuyến du hành của mình, nhà thám hiểm người Venice thế kỷ 13 Marco Polo đã gặp phải những cồn cát biết hát mà ông cho là của những linh hồn sa mạc độc ác, Marco Polo lưu ý rằng chúng "đôi khi lấp đầy không khí bằng âm thanh của tất cả các loại nhạc cụ, cũng như tiếng trống và tiếng va chạm của các loại nhạc cụ với cánh tay".

Ngoài ra cũng có những báo cáo về việc nghe thấy nhiều âm thanh kỳ lạ xảy ra ở ít nhất 35 sa mạc từ California và châu Phi đến Trung Quốc và Qatar, với tiếng vo ve sâu thẳm của những con ong hoặc những tiếng ầm ầm khó hiểu.

Có một điều chắc chắn rằng, những tiếng ồn bí ẩn này không chỉ khiến các nhà thám hiểm sa mạc mà cả các nhà khoa học bối rối trong nhiều năm. Ví dụ, Charles Darwin không thể giải thích nguồn gốc của âm thanh khi nghe nó ở sa mạc Chile. Nhưng đến hôm nay, chúng ta đã tiến gần hơn đến việc giải đáp bí ẩn này.

Lý thuyết đang được cộng đồng khoa học đồng ý nhiều nhất là: Khi những hạt cát khô, mịn đổ xuống các sườn dốc khuất gió (phía xuôi gió) của cồn cát, chúng va chạm và rung động, tạo ra sóng âm. Lý thuyết này phù hợp với những quan sát cho thấy cồn cát hát thường có hình lưỡi liềm (barchans) với độ dốc cao hơn tạo điều kiện thuận lợi cho cát lở.

Trong một thí nghiệm năm 2005 được thực hiện ở sa mạc Sahara, giáo sư Bruno Andreotti của Đại học Paris Diderot đã chỉ ra hình dạng và kích thước cụ thể của cồn cát có thể hoạt động giống như một bộ khuếch đại tự nhiên, định hình các rung động thành những âm thanh bùng nổ hoặc âm trầm mà chúng ta nghe thấy.

Andreotti đã sử dụng các phép đo rung động của cát và không khí để phát hiện các sóng bề mặt di chuyển với tốc độ khoảng 130 feet mỗi giây (40 mét mỗi giây) được tạo ra bởi các trận cát lở trên cồn cát. Những sóng này bắt nguồn từ sự va chạm của các hạt xảy ra khoảng 100 lần mỗi giây, tạo ra nhịp điệu đồng bộ.

Âm thanh thu được có tần số từ 95 đến 105 Hertz, giống với âm thanh của trống hoặc máy bay cánh quạt bay thấp. Quá trình phản hồi này dự đoán chính xác âm lượng tối đa của hiện tượng ở mức 105 decibel, khiến các hạt cát rung chuyển khỏi bề mặt cồn cát, có thể so sánh với độ ồn của máy thổi tuyết hay mức âm lượng tối đa cho các thiết bị nghe cá nhân, kể cả radio cực lớn, dàn âm thanh nổi và tivi hoặc những địa điểm giải trí ồn ào như hộp đêm và quán bar.

Tuy nhiên, điều bí ẩn hơn cả là không phải tất cả các cồn cát đều có thể "hát", ngay cả trong những điều kiện dường như hoàn hảo về tốc độ, hướng gió và thành phần cát. Có thể có các yếu tố bổ sung đang diễn ra hoặc sự kết hợp cụ thể của các yếu tố cần thiết để hiện tượng này xảy ra. Một số nhà nghiên cứu đề xuất rằng một lớp cát khô, đặc hơn ẩn bên dưới lớp bề mặt lỏng lẻo có thể đóng vai trò khuếch đại hoặc định hình sóng âm.

Nhưng làm sao cồn cát hát có thể tạo ra nhiều nốt nhạc cùng một lúc? Để tìm hiểu, một nhóm nghiên cứu do Simon Dagois-Bohy dẫn đầu đã tiến hành một nghiên cứu so sánh tại hai địa điểm riêng biệt: một ở phía tây nam Maroc trong sa mạc Sahara và một ở gần Al-Askharah, một thị trấn ven biển ở phía đông nam Oman.

Các cồn cát ở Maroc liên tục phát ra một nốt ở tần số 105 Hertz, giống như một nốt G hai quãng tám dưới giữa C, trong khi các cồn cát ở Oman tạo ra phổ tần số rộng hơn từ 90 đến 150 Hertz, trải dài khoảng chín nốt từ F-shap đến D. Đáng chú ý, hạt cát ở Maroc có kích thước tương đối đồng đều, trong khi ở Oman có sự khác biệt đáng kể.

Để nghiên cứu sâu hơn, nhóm nghiên cứu đã tách các hạt có kích thước khác nhau và phân tích âm thanh chúng tạo ra khi di chuyển trong không khí trong môi trường phòng thí nghiệm. Họ kết luận rằng âm thanh phát ra từ cát bị ảnh hưởng bởi cả kích thước của hạt cát và vận tốc chúng di chuyển trong không khí.

Bất chấp sự hiểu biết sâu sắc này, cơ chế mà qua đó chuyển động không đều của các hạt cát tạo ra các nốt nhạc mạch lạc vẫn còn chưa được hiểu biết rõ ràng. Các nhà nghiên cứu suy đoán rằng sự rung động của các hạt cát thẳng hàng, cộng hưởng ở một tần số chung, khiến khối lượng hạt dao động đồng đều. Sự rung động tập thể này tạo ra hàng nghìn chuyển động nhỏ hội tụ để nén không khí xung quanh, tương tự như hoạt động của màng loa.

"Nhưng tại sao chúng lại đồng bộ hóa với nhau?" Dagois-Bohy cho biết trong một tuyên bố, "việc đó vẫn chưa được khám phá và giải thích".