Một hình ảnh vệ tinh của Sahara

Hoang mạc là vùng đất rất khô do có lượng giáng thủy thấp (chủ yếu là mưa, còn tuyết hay sương giá thì rất thấp), thường có ít lớp phủ thực vật, và trong đó có các dòng suốt khô trừ khi nó được cấp nước từ các khu vực bên ngoài.[4] Các hoang mạc còn được mô tả là những khu vực mà nước bị mất theo phương thức thoát bốc hơi nhiều hơn so với mưa.[5] Nhìn chung các hoang mạc có lượng mưa ít hơn 250 mm (10 in) mỗi năm.[4] Bán hoang mạc là những vùng có lượng mưa trong khoảng 250 và 500 mm (10 và 20 in) và nếu có phủ cỏ thì được gọi là đồng cỏ khô.[1][5]

Các hoang mạc chiếm khoảng 1/3 diện tích bề mặt Trái Đất.[1] Các hoang mạc nóng thường có sự chênh lệch nhiệt độ ngày đêm và theo mùa lớn với nhiệt độ ban ngày cao và ban đêm thấp. Ở các hoang mạc nóng, nhiệt độ ban ngày có thể lên đến 45 °C/113 °F hoặc cao hơn trong mùa hè, và xuống 0 °C/32 °F hoặc thấp hơn vào ban đêm trong mùa đông. Hơi nước trong khí quyển đóng vai trò là một bẫy giữa các sóng hồng ngoại dài phản xạ từ mặt đất, và không khí các hoang mạc không có khả năng ngăn chặn ánh sáng mặt trời ban ngày (trời không mây) hoặc giữ nhiệt vào ban đêm. Do đó, vào ban ngày hầu hết nhiệt từ mặt trời sẽ tiếp cận đến mặt đất, và ngay sau khi mặt trời lặn, hoang mạc lạnh rất nhanh bằng cách bức xạ nhiệt của nó vào không gian. Các khu vực đô thị trong các hoang mạc không có sự dao động nhiệt độ hàng ngày lớn (hơn 14 °C/57.2 °F), một phần là do ảnh hưởng của đảo nhiệt đô thị. Sa mạc Sahara là một hoang mạc lớn nhất trên thế giới, nó chiếm hơn 30% diện tích Châu Phi.

Quá trình phong hóa

Đá bị vỡ ra (bóc vỏ hóa tròn trên đá granit) do phong hóa ở bang Texas, Hoa Kỳ

Các hoang mạc thường có khoảng chênh lệch nhiệt độ rộng giữa ngày và đêm, và giữa các mùa, nhiệt độ cao vào ban ngày và sụt giảm nhanh vào ban đêm. Chênh lệch nhiệt độ ngày-đêm vào khoảng 20 đến 30 °C (68 đến 86 °F) và các đá trên bề mặt chịu sự tác động lớn bởi sự thay đổi nhiệt độ này.[6] Vào ban ngày, bầu trời thường trong và hầu hết bức xạ mặt trời chạm đến bề mặt, nhưng khi mặt trời lặn, hoang mạc lạnh rất nhanh do sự phản xạ năng lượng vào không gian. Ở các hoang mạc nóng, nhiệt độ vào ban ngày có thể vượt hơn 45 °C (113 °F) trong mùa hè và xuống dưới điểm đóng băng vào ban đêm trong mùa đông.[7]

Một cm vuông
(0,16 inch vuông) cát do gió mang đi ở hoang mạc Gobi

Sự dao động nhiệt độ lớn như thế làm phá hủy cấu trúc của đá lộ trên bề mặt, và các đá này bị phá vỡ theo loại phong hóa cơ học. Các tầng đá bị vỡ vụn trượt xuống thung lũng nơi chúng tiếp tục bị vỡ ra thành những mảnh nhỏ hơn. Các tầng nằm bên trong tiếp tục lộ ra và bị phong hóa tiếp theo. Sự giải phóng áp lực bên trong của khối đá nằm dưới mặt đất hàng trăm triệu năm có thể làm chúng tự phá vỡ khi lộ trên mặt đất.[8] Bóc vỏ hóa tròn cũng có thể xuất hiện khi phần bên ngoài của khối đá bị tróc ra thành từng lớp. Hiện tượng này được cho là gây ra bởi áp lực đặt lên khối đá bằng sự giãn nở và co rút được lặp đi lặp lại, bao gồm việc tạo các vết nứt song song với bề mặt nguyên thủy.[6] Các quá trình phong hóa hóa học có lẽ có vai trò quan trọng hơn ở các hoang mạc so với phong hóa cơ học. Độ ẩm cần thiết có thể có mặt ở dạng sương. Nước dưới đất có thể bị bay hơi và tạo thành các tinh thể muối có thể đẩy các hạt đá ở dạng cát hoặc các đá bở rời theo cách bóc vỏ. Các hang động nông thỉnh thoảng được hình thành tại chân các vách đá theo kiểu này.[6]

Khi các dãy núi hoang mạc bị phong hóa làm xuất hiện các khu vực rộng lớn các đá bị phá vỡ và các đống đổ nát. Quá trình này cứ tiếp tục và sản phẩm cuối cùng hoặc là bụi hoặc là cát. Bụi được tạo thành từ sét được cố kết hoặc các trầm tích núi lửa trong khi cát được tạo thành từ các mảnh vụn của đá granit, đá vôi và cách kết.[9] Có một kích thước nhất định trong việc phong hóa (khoảng 500µ) bên dưới kích thước này quá trình phong hóa do nhiệt sau đó không xảy ra và đây là kích thước nhỏ nhất đối với các hạt cát.[10]

Khi dãy núi bị bào mòn, rất nhiều cát được tạo ra. Với tốc độ gió lớn, các hạt cát được tách ra khỏi bề mặt và mang đến nơi khác theo quá trình nhảy cóc. Các hạt cuộn theo gió sẽ được mang đi xa hơn trên đường đi, nhưng khi động năng của gió không còn khả năng mang chúng nữa thì chúng lắng đọng lại.[11] Cuối cùng các hạt cát lắng đọng lại ở một khu vực có vùng cao độ được gọi là biển cát, hoặc tạo thành các cồn cát.[12]

Bão cát và bão bụi

Trận bão bụi gần doanh trại quân đội ở Iraq, 2005

Các trận bão cát và bụi là các sự kiện tự nhiên xuất hiện những vùng mà mặt đất không được lớp thực vật bảo vệ. Các trận bão bụi thường bắt đầu ở các rìa hoang mạc nơi mà các vật liệu hạt mịn đã được gió mang đi một khoảng cách xa. Khi một cơn gió ổn định bắt đầu thổi, các hạt mịn nằm trên bề mặt đất bắt đầu lay chuyển. Khi tốc độ gió tăng lên, một số hạt được nâng lên theo dòng không khí. Khi chúng tiếp đất, chúng va chạm vào các hạt khác và có thể làm bắn tung các hạt này vào không khí, và cứ như thế nó tạo một phản ứng dây chuyền. Khi bị đẩy, các hạt chuyển động theo một trong 3 cách, tùy thuộc vào kích thước, hình dạng và tỉ trọng của chúng; lơ lửng, nhảy cóc, hoặc lăn. Chuyển động lơ lửng chỉ xảy ra đối với các hạt có đường kính nhỏ hơn 0,1 mm (0.004 in). Trong một trận bão bụi, các hạt mịn này được nâng lên và lan tỏa đến độ cao 6 km (3,7 mi). Chúng làm giảm tầm nhìn và có thể tồn tại rất lâu trong không khí đến vài ngày, được gió mậu dịch mang đi khoảng cách xa đến 6.000 km (3.700 mi).[13] Các đám mây bụi dày đặc có thể được hình thành từ các cơn gió mạnh hơn, di chuyển qua nhiều vùng đất với phần rìa đầu cơn bão cuồn cuộn. Chúng có thể che khuất ánh sáng mặt trời và ngày có thể tối như đêm trên mặt đất.[14] Trong một nghiên cứu về bão bụi ở Trung Quốc năm 2001, ước tính có khoảng 6,5 triệu tấn bụi được mang đi, che phủ một vùng rộng 134.000.000 km2 (52.000.000 sq mi). Kích thước hạt trung bình khoảng 1,44 μm.[15] Ở quy mô nhỏ hơn nhiều, các hiện tượng kiểu này tồn tại trong thời gian ngắn có thể xuất hiện trong các điều kiện thời tiết tĩnh lặng khi khối không khí nóng gần mặt đất dâng lên cao nhanh đi qua một túi khí lạnh hơn, áp suất không khí thấp bên trên tạo thành một cột xoáy các hạt bụi/cát thì được gọi là lốc cát.[16]

Các hạt bụi di chuyển: 1=lăn 2=nhảy cóc 3=lơ lửng 4=dòng không khí

Các trận bão cát xuất hiện ít thường xuyên hơn bão bụi. Chúng thường bắt đầu từ những cơn bão bụi lớn và xuất hiện khi vận tốc gió vượt đến điểm mà nó có thể mang được những hạt nặng hơn. Các hạt kích thước cát này (đường kính khoảng 0,5 mm (0,020 in)) bị đẩy vào không khi nhưng lại rơi xuống trên mặt đất và chúng lại đẩy các hạt khác trong quá trình này. Trọng lượng của chúng ngăn chúng bị gió mang đi khoảng cách xa và hầu hết chỉ mang đi trong khoảng vài mét. Cát chảy thành dòng song song với bề mặt đất như dòng nước, thường dâng lên cao khoảng 30 cm (12 in).[13] Trong một trận gió ổn định thật lớn, dòng cát này có thể dâng lên cao 2 m (6 ft 7 in) trong khi các hạt cát lớn nhất không thể được gió mang đi. Chúng được vận chuyển theo cách lăn trên nền hoang mạc hoặc nhảy khoảng cách ngắn.[14]

Trong một trận bão cát, các hạt cát được gió mang đi trở thành hạt được tích điện. Các trường điện này có độ lớn lên đến 80 kV/m, có thể tạo ra các tia lửa và có thể gây nhiễu động hệ thống viễn thông. Chúng cũng gây khó chịu cho con người và có thể gây đau đầu và buồn nôn.[14] Điện trường gây ra bởi va chạm giữa các hạt trong không khí và tác động của nhảy cóc lắng trên mặt đất. Cơ chế này hơi khó hiểu nhưng các hạt thường tích điện âm khi đường kính dưới 250 μm và điện âm tích điện dương lớn hơn 500 μm.[17][18]

Các dạng địa hình

Ảnh hàng không vùng Makhtesh Ramon, một dạng vòng mài mòn đặc trưng của Negev

Nhiều người nghĩ rằng sa mạc là bao gồm các khu vực rộng lớn có các cồn cát cuồn cuộn bởi vì đó là cách chúng thường được mô tả trên truyền hình và trong các bộ phim,[19] nhưng các hoang mạc không phải lúc nào cũng như thế.[20] Trên khắp thế giới, khoảng 20% là hoang mạc cát hay sa mạc, thay đổi từ chỉ 2% ở Bắc Mỹ đến 30% ở Úc và hơn 45% ở Trung Á.[21] Nơi có sa mạc, nó thường có một lượng lớn cát hoặc một vùng rộng lớn bao gổm các cồn cát.[21]

Một lớp cát gần bề mặt, gồm các hạt một phần được cố kết thành lớp với bề dày thay đổi từ vài cm đến vài mét. Cấu trúc của các lớp cát mỏng nằm ngang này được cấu tạo từ các hạt bụi thô và cát mịnh đến cát hạt trung, tách biệt với các lớp cát hạt thô và cuội. Những hạt lớn hơn neo các hạt khác tại và cũng có thể kết chặt với nhau tạo thành một lớp đường sa mạc nhỏ.[22] Các vết gợn sóng hình thành trên thảm cát khi gió vượt trên 24 km/h (15 mph). Chúng hình thành vuông góc với hướng gió và chuyển động từ từ trên bề mặt khi gió thổi liên tục. Khoảng cách giữa các đỉnh là chiều dài trung bình mà các hạt nhảy trong quá trình nhảy cóc. Các vết gợi sóng không tồn tại lâu và thay đổi khi hướng gió thay đổi.[23]

Sơ đồ thể hiện sự thành tạo của cồn cát, gió thổi từ bên trái

Các cồn cát là sự tích tụ của cát do gió mang đến, bao gồm các đỉnh hay các miệng. Chúng hình thành theo hướng gió từ các nguồn cát rất khô, bở rời và xuất hiện khi các điều kiện địa hình và thời tiết phát làm cho các hạt mang theo gió lắng đọng. Khi gió thổi, sự nhảy cóc và bò diễn ra ở hướng đón gió và các hạt cát chuyển động lên đỉnh. Khi lên đến đỉnh, chúng rơi về phía khuất gió. Sườn đón gió có độ dốc 10° đến 20° trong khi sườn khuất gió khoảng 32°, là góc ma sát trong của cát khô bở rời sẽ trượt. Khi sự chuyển động của cát diễn ra như vậy, cồn cát chi di chuyển một cách từ từ trên bề mặt đất.[24] Các cồn cát đôi khi tồn tại riêng lẻ, nhưng chúng thường gồm một nhóm. Khi chúng mở rộng, chúng được gọi là biển cát.[25]

Hình dạng của cồn cát phụ thuộc vào đặc điểm gió thịnh hành. Các cồn cát Barchan được tạo ra bởi các cơ gió mạnh thổi qua bề mặt bằng, và có hình lưỡi liềm với bề lõm nằm dưới hướng gió. Khi có hai hướng gió thổi vuông góc nhau, một loạt các cồn cát kéo dài, thẳng hàng được gọi các cồn seif có thể hình thành. Chúng cũng xuất hiện song song với hướng gió mạnh chủ đạo. Star dunes are formed by variable winds, and have several ridges and slip faces radiating from a central point. They tend to grow vertically; they can reach a height of 500 m (1.600 ft), making them the tallest type of dune. Rounded mounds of sand without a slip face are the rare dome dunes, found on the upwind edges of sand seas.[25]

Hoang mạc được cấu thành bởi các hạt sạn được gắn chặt thuộc hoang mạc Mojave

Phần lớn diện tích bề mặt của các hoang mạc trên thế giới là các đồng bằng bằng phẳng, bị phủ bởi đá được hình thành chủ yếu do gió. "Sự bào mòn do gió" là quá trình mà các vật liệu hạt min được gió mang đi liên tục. Quá trình này làm cho các vật liệu thạt thô hơn chủ yếu là cuội-sỏi với các hạt đá lớn hơn,[12][21] còn sót lại, tạo thành một vùng đất bằng được phủ bởi các hòn đá tròn cạnh. Nhiều giả thuyết khác nhau đã được đưa ra nhằm giải thích lý do tại sao hình thành những bề mặt đá này. Có thể là sau khi cát và bụi bị gió thổi đi nơi khác, các hòn đá bị di chuyển nhỏ vào vị trí trống đó; một cách khác là các hòn đá trước đó nằm bên dưới bề mặt bằng cách nào đó nó lộ lên trên mặt. Xói mòn rất ít khi xảy ra sau khi hình thành một lớp thảm cuội sỏi, và mặt đất trở nên ổn định. Sự bốc hơi mang hơi ẩm lên trên bề mặt thông qua quá trình mao dẫn và các muối canxi có thể kết tủa, liên kết các hạt vật liệu để tạo thành cuội hoang mạc.[26] Cùng lúc, vi khuẩn sống trên bề mặt các hạt đá tích tụ các khoáng chất và các hạt sét, tạo thành một lớp màu nâu bóng phủ lên bề mặt các hạt đá được gọi là sơn hoang mạc (desert varnish).[27]

Các hoang mạc không được cấu tạo bởi cát khác thì bao gồm chủ yếu là các đá gốc, đất khô, và nhiều dạng địa hình khác chịu ảnh hưởng bởi dòng nước như các nón phóng vật, các hố sụt, các hồ tạm thời hoặc vĩnh cửu, và các ốc đảo.[21] Hamada là một kiểu địa hình hoang mạc chủ yếu bao gồm các cao nguyên đá nơi mà cát bị bóc đi bởi các quá trình của gió. Các địa hình khác bao gồm các đồng bằng phần lớn được bao phủ bởi cuội, dăm trong khi các vật liệu hạt mịn hơn thì bị gió mang đi nơi khác. Các dạng này được gọi là "reg" ở tây Sahara, "serir" ở đông Sahara, "gibber plains" ở Úc và "saï" ở Trung Á.[28] Cao nguyêen Tassili ở Algeria là một địa hình hỗn hợp bao gồm các nơi lộ cát kết bị bào mòn, hẻm vực, núi khối tảng, óng khói tiên, vết nứt, những tấm nằm ngang và các khe núi. Ở một vài nơi gió cắt qua tạo thành các hốc hoặc vòm, một số nơi khác tạo thành các trụ hình nấm ở chân hẹp hơn ở phần đỉnh.[29] cao nguyên Colorado bị xâm thực do dòng nước, ở đây sông Colorado đã cắt qua địa hình này hơn hàng thiên niên kỷ qua nền hoang mạc tạo thành hẻm vực với độ sâu hơn 1.800 m, làm lộ ra các tầng đá có tuổi hơn 2 tỉ năm.[30]

Nước

Atacama, hoang mạc khô nhất trên Trái Đất

Một trong những nơi khô nhất trên Trái Đất là hoang mạc Atacama.[31] Nơi này hầu như không có sự sống do nó không được đón nhận mưa do sự ngăn cản của dãy núi Andes ở phía đông và dãy núi ven biển Chile ở phía tây. Dòng hải lưu Humboldt và xoáy nghịch Thái Bình Dương góp phần làm cho khí hậu khô của Atacama. Lượng giáng thủy trung bình ở vùng Antofagasta của Chile chỉ 1 mm (0,039 in)/năm. Một số trạm thời tiết ở Atacama không bao giờ ghi nhận mưa. Bằng chứng cho thấy rằng Atacama có thể không có bất kỳ trận mưa nào từ 1570 đến 1971. Do quá khô nên các vùng núi có độ cao đến 6.885 m (22.589 ft) hoàn toàn bị đóng băng và ở phía nam của vĩ độ 25°N đến 27°N, có thể đã đóng băng trong suốt kỷ Đệ tứ, mặc dù băng vĩnh cửu kéo dài xuống đến độ cao 4.400 m (14.400 ft) và kéo dài lên trên 5.600 m (18.400 ft).[32][33] Tuy nhiên, có một số thực vật sống ở Atacama, chúng đặc biệt thích nghi khi hút ẩm và sương giá từ các luồng gió thổi vào từ Thái Bình Dương.[31]

Lũ quét ở Gobi

Khi mưa rơi trên các hoang mạc, nó thường rất dữ dội. Bề mặt hoang mạc là bằng chứng cho điều này với các kênh dẫn khô được gọi là lạch hoặc các khúc uốn trên bề mặt của nó. Các dấu hiệu này cho thấy chúng trải qua các đợt lũ quét với các dòng xoáy có tốc độ đáng kinh ngạc, có thể kéo dài hàng km. Hầu hết các hoang mạc là các bồn trũng mà không có hệ thống thu-thoát nước đổ vào biển nhưng một vài hoang mạc cắt qua các con sông kỳ lạ có nguồn từ các dãy núi hoặc các khu vực có lượng mưa lớn ở bên ngoài ranh giới hoang mạc. Sông Nin, sông Colorado và Hoàng Hàn là như thế, chúng mất hầu hết nước qua việc ngấm xuống đất và bốc hơi khi chúng đi qua hoang mạc, đồng thời làm dâng cao mực nước ngầm của khu vực lân cận. Cũng có thể có các nguồn nước ngầm trong các hoang mạc ở dạng suối, tầng chứa nước, các sông ngầm hoặc hồ. Nơi các dạng nước này nằm gần bề mặt, các giếng nước có thể có nước và các ốc đảo có thể hình thành nơi thực vật và động vật có thể sinh sống.[21] Hệ thống tần chứa nước cát kết Nubia dưới hoang mạc Sahara là nơi tích tụ nước chôn vùi lớn nhất đã được biết đến. Great Man-Made River được Colonel Gadaffi của Libya xây dựng đã lấy nước từ tầng chứa nước này và cung cấp cho các thành phố ven biển.[34] Ốc đảo Kharga ở Ai Cập dài 150 km (93 mi) và là ốc đảo lớn nhất trong hoang mạc Libya. Một hồ chứa chiếm trọn vùng trũng này trong thời kỳ cổ và tạo ra một lớp trầm tích cát-sét dày. Các giếng được đào để lấy nước từ tầng cát kết chứa nước nằm bên dưới lớp cát-sét này.[35] Sự thấm qua có thể xảy ra trong các bức tường của hẻm vực và các ao có thể tồn tại trong bóng râm gần nơi khô hạn của đoạn sông bên dưới.[36]

Các hồ có thể hình thành trong các bồn trũng nơi có đủ lượng mực hoặc nước tan chảy từ bằng ở bên trên. Cũng thường có các nguồn nước nông và mặn, và các luồng gió thổ qua bề mặt chúng làm cho nước di chuyển đến các vùng đất thấp lân cận. Khi các hồ khô đi, chúng để lại một lớp phủ được cấu tạo bởi sét, bột hoặc cát được gọi là playa. Các hoang mạc ở Bắc Mỹ có hơn một trăm playa, nhiều trong số chúng là các di tích của hồ Bonneville, hồ này bao phủ các vùng của Utah, Nevada và Idaho trong suốt thời kỳ băng hà gần đây nhất khi khí hậu lúc đó lạnh hơn và ẩm ướt hơn.[37] Các hồ dạng này như Great Salt Lake, hồ Utah, hồ Sevier và nhiều hồ khô khác. Bề mặt bằng phẳng của các playa từng được dùng là cho các vụ thử xe tốc độ cao ở hoang mạc Black Rock và Bonneville Speedway và Không quân Hoa Kỳ sử dụng Rogers Dry Lake ở hoang mạc Mojave làm đường băng cho máy bay và tàu không gian.[21]