遠(yuǎn)古巨鳥的飛天秘訣

歐陽春雨

2 500 萬至2 800 萬年前，在浩瀚的大海之上，一只巨大的飛鳥張著狹長(zhǎng)的雙翼，在海上飛行了幾十千米。突然，它俯沖并掠過海面，快速從水中叼出一條魚。讓人驚訝的是，它飛了如此遠(yuǎn)的距離，翅膀卻一次也沒扇動(dòng)過。它就是目前發(fā)現(xiàn)的最大的飛鳥——桑氏偽齒鳥。

根據(jù)化石，科學(xué)家推算出，桑氏偽齒鳥站立時(shí)的身高大約為2 米，體重約為70 千克，翼展大約有7.3 米。而到了600 萬年前，與桑氏偽齒鳥體形相近的阿根廷巨鷹稱霸阿根廷潘帕斯草原的天空。如果放到現(xiàn)在，它們的體形大小就與一架小型飛機(jī)差不多。通過計(jì)算，研究人員認(rèn)為，阿根廷巨鷹的體重已經(jīng)接近安全滑翔的極限了，再重一點(diǎn)，就沒辦法飛起來了。可以想象，在它們生活的那個(gè)年代，當(dāng)它們翱翔于天際時(shí)，是何等威風(fēng)。相比之下，現(xiàn)存的最大的飛鳥信天翁，體重只有大約9 千克，翼展不過3 米多。

這些巨型飛鳥給科學(xué)家出了一道難題——它們是如何飛行的？小型鳥類因?yàn)楹茌p，可以通過扇動(dòng)翅膀來為自己提供動(dòng)力。但是，這些遠(yuǎn)古巨鳥大得像飛機(jī)，它們能通過扇動(dòng)翅膀擺脫重力束縛而飛起來嗎？

站得高，飛得遠(yuǎn)

飛鳥都有一些共同的特點(diǎn)，比如它們都有中空的、輕的骨骼，盡可能地減輕體重，還要有足夠結(jié)實(shí)的翅膀，這樣扇動(dòng)起來才能產(chǎn)生足夠的升力。因此，如果一只鳥想要通過扇動(dòng)翅膀來讓自己保持飛行，就必須盡可能地“保持身材”，不能太重。而飛鳥撲翼飛行的動(dòng)力主要來自飛行肌肉，在飛鳥的身體中，飛行肌肉平均占體重的17% 左右（這與鳥類的大小無關(guān)），其中胸大肌是最主要的飛行肌肉。而像桑氏偽齒鳥和阿根廷巨鷹這樣大小的巨鳥，它們的胸大肌大約只有11 千克。通過計(jì)算，研究人員認(rèn)為，即使連續(xù)扇動(dòng)翅膀，還是不足以產(chǎn)生足夠的力量讓它們飛起來。并且，由于這些遠(yuǎn)古巨鳥的翅膀都太長(zhǎng)，起飛時(shí)根本不可能通過連續(xù)扇動(dòng)翅膀來獲得起飛的能量。那么，它們是怎么飛的呢？

科學(xué)家通過研究阿根廷巨鷹的化石，建立了飛行模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)阿根廷巨鷹是空氣動(dòng)力學(xué)專家，它們從起飛到飛行再到降落的整個(gè)過程都很巧妙地利用了氣流。

阿根廷巨鷹的主要棲息地是安第斯山脈和潘帕斯草原。研究人員認(rèn)為，這些棲息地的選擇并不是巧合，而是這些地方真的非常有利于它們生存。中新世時(shí)期，安第斯山脈有陡峭的山和偏轉(zhuǎn)的風(fēng)，而潘帕斯草原干燥，強(qiáng)烈的上升熱氣流活躍。通過計(jì)算，研究人員認(rèn)為，像禿鷹一樣，阿根廷巨鷹只需要張開翅膀，在順風(fēng)吹來時(shí)，從斜坡助跑或者從懸崖上跳下，完全不需要扇動(dòng)翅膀，就能乘著風(fēng)飛起來了。研究還顯示，阿根廷巨鷹在微風(fēng)習(xí)習(xí)的情況下，即使是在只有10°的斜坡上，只要附近有1 米/ 秒的上升氣流，它們也能順利起飛。可見，它們是非常高效的滑翔大師。

更有意思的是，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這種巨大的鳥起飛之后，可以在幾十千米的飛行中不扇動(dòng)翅膀。它們是怎么做到的呢？

繞圈飛行找氣流

阿根廷巨鷹不能通過扇動(dòng)翅膀來起飛，同樣，在空中時(shí)，阿根廷巨鷹也極少扇動(dòng)翅膀。據(jù)估算，大型鳥類扇動(dòng)翅膀飛行的成本比滑翔時(shí)的飛行成本要高出30 倍左右。因此，為了保存體力持續(xù)飛行，像阿根廷巨鷹這樣的大型飛鳥不會(huì)高頻率地扇動(dòng)翅膀，有時(shí)候連飛幾個(gè)小時(shí)也不會(huì)扇動(dòng)一次翅膀。同樣，解決如何不扇動(dòng)翅膀飛行這個(gè)問題，阿根廷巨鷹還是利用了氣流。像老鷹、禿鷹等鳥類一樣，阿根廷巨鷹也會(huì)在空中盤旋，但是它們不是在尋找獵物，而是在和上升氣流“磨合”，或者在探索由一股股氣流形成的看不見的“路”。

由于不同區(qū)域的溫度差異，空氣會(huì)形成對(duì)流，有的氣流上升，有的氣流下降，有的氣流橫著走，阿根廷巨鷹飛行時(shí)主要利用的就是上升的熱氣流。上升熱氣流并不依賴于風(fēng)，而是依靠太陽輻射產(chǎn)生的對(duì)流。太陽輻射將地面加熱到高于空氣的溫度，而靠近地表的空氣又被地面加熱，這些熱氣流形成柱狀上升。熱氣流可以是不斷上升的空氣“煙囪”，也可以是一系列離散的甜甜圈形狀的氣團(tuán)。

上升熱氣流的范圍是有限的，垂直氣流的速度在熱氣流區(qū)的中心最強(qiáng)，向外逐漸減小。研究顯示，一旦進(jìn)入熱氣流區(qū)，只有熱氣流的上升速度大于阿根廷巨鷹的下降速度，它們才可以在上升氣流柱內(nèi)垂直盤旋和爬升。當(dāng)這些巨鳥到達(dá)熱氣流的頂部時(shí)，可以直接滑翔到相鄰的熱氣流區(qū)，并通過相鄰的這股熱氣流保持飛行高度。為了讓自己一直可以乘著熱氣流飛翔，它們必須繞著熱氣流的中心盡可能地盤旋。當(dāng)然，不需要擔(dān)心這些巨鳥會(huì)在熱氣流中旋轉(zhuǎn)時(shí)被甩出去，因?yàn)樗鼈冊(cè)诒P旋時(shí)，通過調(diào)整翅膀升力，有一個(gè)指向轉(zhuǎn)彎中心的力分量，可以平衡離心力。

打開“自帶降落傘”

阿根廷巨鷹起飛、長(zhǎng)途飛行都利用了氣流，降落更是離不開氣流的幫助。

鳥類降落在樹枝上、懸崖上，看起來都輕松自如，但是事實(shí)上，對(duì)于它們來說，降落也是一個(gè)大問題，稍有不慎，要么飛過了著陸地點(diǎn)，要么直接撞上去。大多數(shù)鳥類會(huì)“瞄準(zhǔn)”著陸地點(diǎn)的稍下方的位置，快接近著陸地點(diǎn)時(shí)再向上拉升一點(diǎn)，就可以準(zhǔn)確著陸了。而像水禽，它們?cè)谒辖德鋾r(shí)會(huì)先停止拍打翅膀，然后伸出雙腳踩“剎車”。

而阿根廷巨鷹這種翅膀無法給它們足夠升力的巨型鳥類，想在山坡和懸崖上著陸就更困難了。根據(jù)模擬結(jié)果，阿根廷巨鷹沒有用上文說的兩種方式來著陸，而是先離開上升氣流的中心，然后快速俯沖。此時(shí)，它們張開的翅膀就像降落傘，使它們減速，然后用腳來“剎車”。此外，阿根廷巨鷹也可能在一次長(zhǎng)時(shí)間的滑翔中著陸，在這個(gè)滑翔的過程中，它們會(huì)一點(diǎn)、一點(diǎn)地減速，當(dāng)速度合適時(shí)，它們就可以安全著陸了。

從體形上來看，阿根廷巨鷹似乎不適合飛行，但是事實(shí)上，它們從起飛到飛行再到降落都能優(yōu)雅、高質(zhì)量地完成。而能做到這一點(diǎn)，氣流可算是功不可沒。這些研究不僅讓我們了解了這些遠(yuǎn)古巨鳥的飛行原理，也為科學(xué)家提供了研制大型飛行器的思路。

不管怎么說，身體如此龐大，還能稱霸天空，阿根廷巨鷹和桑氏偽齒鳥都是非常成功的掠食者。那么，為什么現(xiàn)在再也沒有像這樣的巨型飛鳥了呢？

一些研究人員認(rèn)為，這可能和氣候有關(guān)。就拿阿根廷巨鷹來說，600 萬年前，阿根廷比現(xiàn)在要熱得多，也干燥得多——正是這種天氣產(chǎn)生了強(qiáng)大的熱氣流，而這些強(qiáng)大的熱氣流正是將巨大的阿根廷巨鷹托起的重要條件。另一些研究人員則有不一樣的觀點(diǎn)，他們認(rèn)為，現(xiàn)代飛鳥的大小受到它們的羽毛生長(zhǎng)的限制，一只巨型鳥根本不可能快速更換它們磨損的羽毛，因此不能時(shí)刻讓自身符合空氣動(dòng)力學(xué)的要求。

文章來源：《科學(xué)之謎》

（責(zé)任編輯：嵇刊）