沙漠可能看起来毫无生气和惰性，但它们非常有活力。尤其是沙丘，会生长和移动——根据长达数十年的研究项目，它们也会呼吸潮湿的空气。

研究结果首次展示了水蒸气如何渗透粉末和谷物，并且可以在沙漠以外的地方有广泛的应用——在药物研究、农业和食品加工以及行星探索中。

该团队的论文“干旱沙地表面的水汽传输——非线性热耦合、风驱动孔隙平流、地下波和与大气边界层的交换”，3 月 21 日发表在《地球物理研究杂志：地球表面》上.

该项目由主要作者、工程学院机械和航空航天工程教授 Michel Louge 领导，不仅跨越了大量时间，而且跨越了各种地形。它始于近 40 年前，当时 Louge 正在研究流体、气体和固体颗粒的行为。

为了以更高的灵敏度测量物质，他和他的学生开发了一种称为电容探针的新型仪器，该仪器使用多个传感器记录从固体浓度到速度再到水含量的所有内容，所有这些都具有前所未有的空间分辨率。

当犹他大学的一位同事建议这项技术可能有助于对山区积雪层进行成像和评估雪崩的可能性时，Louge 去了他的车库，抓起一些探针并在暴风雪中进行了测试。很快，他与一家名为 Capacitec Inc 的公司建立了合作关系，以结合他们各自在几何学和电子学方面的技能。由此产生的探针也被证明在水文学研究中很有用。

在 2000 年代初期，Louge 开始与法国南特大学的 Ahmed Ould el-Moctar 合作，使用探针研究沙丘中的水分含量，以更好地了解农业用地变成沙漠的过程——这一兴趣已经只会随着全球气候变化的加剧而变得更加紧迫。

“如果我们继续这样下去，地球的未来就是一片沙漠，”卢格说。

其他探测器可以测量大量物质，而 Louge 的探测器则深入而小，收集毫米级的数据，以查明沙子中的确切水分含量和密度。但是，要在新环境中发挥作用，需要修改探针。就这样开始了长达十年的试错过程，卢格定期前往卡塔尔和毛里塔尼亚的沙漠，试验不同版本的探测器。

探测器最终揭示了沙子是多么多孔，有少量空气渗入其中。先前的研究暗示沙丘中存在这种渗漏，但直到现在还没有人能够证明这一点。

“风流过沙丘，结果造成局部压力不平衡，这实际上迫使空气进入沙子并从沙子中流出。所以沙子会呼吸，就像有机体呼吸一样，”卢格说。

尽管高温，这种“呼吸”使微生物能够在极度干旱的沙丘深处持续存在。在过去十年的大部分时间里，Louge 一直与农业与生命科学学院微生物学副教授 Anthony Hay 合作，研究微生物如何帮助稳定沙丘并防止它们侵入道路和基础设施。

Louge 和他的团队还确定，沙漠表面与大气交换的水分比预期的要少，并且单个沙粒的水分蒸发表现得像一个缓慢的化学反应。

他们的大部分数据是在 2011 年收集的，但 Louge 和他的合作者仍然花了十年时间才弄清了一些发现，例如识别表面水平的扰动，这些扰动迫使渐逝或非线性的湿度波向下传播非常迅速地穿过沙丘。

“我们本可以在 10 年前发布数据来报告我们方法的准确性，”Louge 说。“但在我们了解发生了什么之前，它并不令人满意。以前没有人真正做过这样的事情。这是第一次可以测量到如此低的湿度水平。”

研究人员预计，他们的探测器将有许多应用——从研究土壤在农业中吸水或排水的方式，到校准沙漠上空的卫星观测，再到探索可能含有微量水的外星环境。这不是 Louge 的研究第一次进入太空。

但也许最直接的应用是检测药物中的水分污染。自 2018 年以来，Louge 一直与默克公司合作，将探针用于连续制造，这被视为比批量制造更快、更高效且成本更低的系统。

“如果你想进行连续制造，你必须有探针，作为时间的函数，在任何重要的地方，你都可以检查你的过程是否有正确的行为，”Louge 说。