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      內(nèi)波與死水,連潛艇都怕的海浪

      2021-08-10 02:28:41七君
      電腦報 2021年20期
      關(guān)鍵詞:內(nèi)波死水海面

      七君

      海洋中內(nèi)波的產(chǎn)生

      這種可怕的現(xiàn)象,就是在岸上和水面上的人很難覺察的內(nèi)波(intemal wave)。內(nèi)波就是水下的一種重力波,內(nèi)波產(chǎn)生的必要條件是分層的液體,當不同液層的界面被擾動時就會產(chǎn)生內(nèi)波。我們用油和水就可以模擬內(nèi)波,你可以看到,當油和水的界面上有波浪涌動時,這種波浪在油面上幾乎不會引起什么變化。

      在海洋中,更熱、鹽度更低的海水位于上層,上下層之間的密度差使海水分層,為內(nèi)波創(chuàng)造了初始條件,當潮流遇到海底高山等阻礙時內(nèi)波就會涌現(xiàn)。實際上世界各地的大陸架附近經(jīng)常會出現(xiàn)內(nèi)波。

      在水(藍色)和油(透明)的交界處形成了內(nèi)波

      和水面的波浪不同,內(nèi)波可以傳播數(shù)千米,并且可以持續(xù)數(shù)小時。內(nèi)波的幅度,也就是最高處和最低處常常超過50米,這也讓內(nèi)波變得極為危險。根據(jù)斯克里普斯海洋研究所( SIO)的海洋和大氣研究部的部長Matthew Alford和同事在2014年發(fā)表的研究,在10分鐘內(nèi),海洋表層10米厚的海水就能打出一個近40米的浪頭,只不過這個浪頭是向下的而不是向上的。這樣迅疾的內(nèi)波對于浮潛的人來說相當致命。據(jù)Alford介紹,他曾經(jīng)作為專家被邀請為一場訴訟提供專業(yè)建議;在這個案件里,一名大溪地潛水員被內(nèi)波刮到了深海。

      歐洲遙感衛(wèi)星拍攝到的直布羅陀海峽海洋表面,海面的波紋提示下方有內(nèi)波

      畏懼內(nèi)波的不僅有潛水員,還有各國的潛艇。旱在1966年,美國海軍的一項研究就指出,內(nèi)波可以讓潛艇的控制變得困難,甚至可能導(dǎo)致潛艇沉沒。一戰(zhàn)時,潛艇通常會避免在連接地中海和大西洋的直布羅陀海峽處作業(yè),就是因為他們知道那里有臭名昭著的內(nèi)波。

      全球容易出現(xiàn)內(nèi)波的地方

      在30多年前,真的有潛艇在直布羅陀海峽出事了。1984年9月21日,蘇聯(lián)的潛艇悄悄地潛伏在蘇聯(lián)的一艘商船下通過直布羅陀海峽,但在快要離開的時候卻一下子撞在了商船上。這次相撞導(dǎo)致商船損壞嚴重,潛艇的頭也破了,最終不得不浮出水面曝光。

      內(nèi)波在海面形成的圖案

      直布羅陀海峽的邪性和那里獨特的自然條件脫不了關(guān)系。根據(jù)歐洲航天局( ESA)介紹,直布羅陀海峽的海水大致分為兩層:下層是更咸的地中海海水,上層是鹽度稍低的大西洋海水。再加上百布羅陀海峽海底地貌復(fù)雜,那里有大量內(nèi)波出沒就不奇怪了。

      剛才說過,世界各地的大陸架附近都有內(nèi)波,而擁有最為驚悚的內(nèi)波的海域除了直布羅陀海峽,還有我國的南海、印尼的龍目海峽、安達曼海的小安達曼島和卡爾尼科巴島、意大利半島和西西里島之間的墨西拿海峽。

      我國南海東沙群島附近的內(nèi)波可能是世界上最強力的,幅度可達300米。今年Alford在接受美國全國公共廣播電臺( NPR)采訪時表示,美國、俄羅斯和中國都花了大筆經(jīng)費研究南海的內(nèi)波,因為這里的內(nèi)波可能對這些國家的軍事行動有很大影響。

      內(nèi)波易引發(fā)“死水”現(xiàn)象

      看完了上面對內(nèi)波的描述,你可能會認為,只要不潛水、不搭乘潛艇就沒事兒了吧,實際上,在海面也有被內(nèi)波欺負的可能。內(nèi)波會造成一種名為死水的罕見現(xiàn)象。有些海面看起來風平浪靜、人畜無害,但在海面航行的船只卻無法前行,這就是遇到了“死水”。

      這是因為船只航行在與船水位線差不多深的淡水上,淡水下方則是鹽度更高的海水,兩者沒有充分混合。這種情況下船的動能會被轉(zhuǎn)化為內(nèi)波,造成船只無法移動。峽灣附近經(jīng)常會出現(xiàn)這種現(xiàn)象,因為冰川融化的淡水和峽灣的海水沒有完全混合,因此淡水能輕輕地浮在上層。

      “死水”現(xiàn)象一開始被當作水手間的奇談,但是后來自為著名挪威探險家弗里喬夫·南森( FridtjotNansen)的經(jīng)歷而得到科學(xué)研宄。1893年,南森在業(yè)洲最北的半島——泰梅爾半島附近探險時遭遇了“死水”。他將自己的經(jīng)歷告訴了物理學(xué)家威廉·皮耶克尼斯( Vilhelm Bjerknes)。皮耶克尼斯和他的學(xué)生、后來被譽為現(xiàn)代物理海洋學(xué)第一人的沃恩·華費特·??寺╒agn Walfrid Ekman)發(fā)現(xiàn),船在分層的液體上前進時會產(chǎn)生內(nèi)波,而內(nèi)波會阻礙船只前行,導(dǎo)致“死水”現(xiàn)象出現(xiàn)。

      在海洋中,內(nèi)波簡直防不勝防。麻省理工學(xué)院的海洋學(xué)家Thomas Peacock表示,內(nèi)波就是海洋中沉睡的巨人,它們在全世界的海洋里滾來滾去,但是人類卻很少看到它們。雖然內(nèi)波之上常常風平浪靜,但某些情況下大家可以在海邊觀察到內(nèi)波。海面上間距較大的一行行漣漪就是下方內(nèi)波的表征。

      比如,索馬里海岸的業(yè)丁灣就常有內(nèi)波留下的壯美“皺紋”。業(yè)丁灣的海底地貌相當雄偉,有非常陡峭的大陸架外緣,因此常常會發(fā)生壯觀的內(nèi)波。當然了,這種情況下下海是極其危險的。

      云在經(jīng)過內(nèi)波時被卷出的“花紋”

      內(nèi)波雖然破壞力巨大,但也是全球生態(tài)和氣候中的重要一環(huán)。內(nèi)波能將藻類和浮游動植物進行重新分布,為海岸生態(tài)系統(tǒng)帶來營養(yǎng),也能讓海水混合,這對于地球的氣候變化非常重要,因此內(nèi)波的活動也可以被用于預(yù)測氣候變化。

      天空中也有內(nèi)波

      如果你很想觀察內(nèi)波但又沒機會觀海,望天也是一個辦法。其實不僅海里會出現(xiàn)內(nèi)波,天空也會出現(xiàn)。在大氣具有冷熱分層的空氣時也會形成內(nèi)波,大氣中的內(nèi)波會形成波紋,云在經(jīng)過內(nèi)波時會被卷出花紋狀,這種能揭示大氣層中內(nèi)波的云也被稱為波狀云。

      魚鱗天其實就是被內(nèi)波卷出的波狀云

      那么,波狀云在地面上看是什么樣的呢?我們平時在地面上看到的波狀云就是被內(nèi)波卷出來的,這種天空也被叫作魚鱗天。一般來說看到這樣的天空,天氣就很可能會發(fā)生變化。

      (本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“把科學(xué)帶回家”公眾號,有刪節(jié))

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