|
! s) ?1 W8 a) h
原创文章版权归微信公众号
* h. O2 `0 B2 s q! J4 b- k* E+ B* q0 | “把科学带回家”所有 4 f: \1 j# G, L* d5 K5 Z K
撰文 七君 2 V! G X1 e! B9 K) |7 ?
今年4月，印尼南伽拉号潜艇（KRI Nanggala (402)）沉没，潜艇上的53人也随之殒命。这艘由德国制造的潜艇碎成了三块，沉睡在840米深的海底。现在事故原因还没有查明，不过印尼海军少将 Iwan Isnurwanto 称，一个海中自然现象可能是事故的肇因，日本气象卫星向日葵8号还拍摄到了证据。 " v1 V) Y5 h J# y% ^% Z6 v" g) A4 R
$ {9 g" x% a P/ y& B7 V
印尼南伽拉号潜艇活着时候的样子。 图片来源：ANTARA / VIA REUTERS ' s' E9 \# j7 E5 D1 o
这个可怕的现象，就是在岸上和水面的人很难觉察的内波（internal wave）。 " g4 m9 w( n% b
内波就是在水下的一种重力波，内波的产生的必要条件是分层的液体，当不同液层的界面被扰动时就会产生内波。 % t& ]# L1 _5 P% N% R6 o, D
我们用油和水就可以模拟内波。你可以看到，油和水的界面上也有暗波涌动，但这种波在油面上几乎不会引起什么变化。 1 g. s" N v2 \, ]/ V
+ m y v: o- O6 _
& R1 U6 v0 y2 j9 o# |) T
m4 p F# c/ Q3 g0 _5 @4 Z 在水（蓝色）和油（透明）的交界处形成了内波。图片来源：Portland State University
* v5 {; z. K& s% u/ O4 t 在海中，更热、盐度更低的海水位于上层，上下层之间的密度差使海水分层，为内波创造了初始条件，当潮流遇到海底高山等阻碍时就会内波就会涌现。实际上世界各地的大陆架附近经常会出现内波。 6 E8 ]5 {% B8 v* ?0 M1 y% v% k1 D
6 I1 @( K6 ~! r# F 全球出现内波的地方。图片来源：Cornell Civil and Environmental Engineering
* d" o* ]5 i0 ]* }& V6 J 和水面的波浪不同，内波可以传播数千米，并且可以持续数小时。内波的幅度，也就是最高和最低处常常超过50米，这也让内波变得极为危险。 # X1 a- P& \! q1 M# a
根据斯克里普斯海洋研究所（SIO）的海洋和大气研究部的部长 Matthew Alford 和同事在2014年发表的研究，在10分钟内，海洋表层10米厚的海水就能打出一个近40米的浪头，只不过这个浪头是向下的而不是向上的。
- f. w0 a/ I5 T# E8 l& E 这样迅疾的内波对于浮潜的人来说相当致命。Alford 介绍，他曾经作为专家被邀请为一场诉讼提供专业建议；在这个案件里，一名大溪地潜水员被内波刮到了深海。
; Z" m" s' i7 w# j( ~
. o) g( ~' g) [+ t, _; n6 P) @ 畏惧内波的不仅有潜水员，还有各国的潜艇。 " I- p5 u0 x( e) s+ L
早在1966年，美国海军的一项研究就指出，内波可以让潜艇的控制变得困难，甚至可能导致潜艇沉没。二战时，潜艇通常会避免在连接地中海和大西洋的直布罗陀海峡处作业，就是因为它们知道那里有臭名昭著的内波。
- z/ Q& l! Q* M/ g2 p0 ] 在30多年前，真的有潜艇在直布罗陀海峡出事了。1984年9月21日，苏联的潜艇悄咪咪地潜伏在苏联的一艘商船下通过直布罗陀海峡，但在快要离开的时候却一下子撞在了商船上。这次相撞导致商船损坏严重，潜艇的头也破了，最终不得不浮出水面曝光。
5 t5 d( ~9 q9 j% @& h( \ 直布罗陀海峡的邪性和那里独特的自然条件脱不了关系。根据欧洲航天局（ESA），直布罗陀海峡的海水大致分为两层：下层是更咸的地中海海水，上层是盐度稍低的大西洋海水。再加上直布罗陀海峡海底地貌复杂，那里有大量内波出没就不奇怪了。
; ]" e* k3 M& Z8 x! W4 x( C% Q$ h ' Y9 g. V/ A' z6 X9 F) f4 G( B5 B, F# M
欧洲遥感卫星拍摄到的直布罗陀海峡海洋表面，海面的波纹揭示下方有内波。图片来源：ESA
; t2 A( X3 K* ~2 _/ P, h L1 I' a 刚才说过，世界各地的大陆架附近都有内波，而拥有最为惊悚的内波的海域除了直布罗陀海峡，还有我国的南海、印尼的龙目海峡、安达曼海的小安达曼岛和卡尔尼科巴岛、意大利半岛和西西里岛之间的墨西拿海峡。 3 Z! s# \ r @$ P: ?
+ o7 @1 S3 q8 d6 h) v/ S) J) G / M/ S) M! _) x
" @0 p$ V5 g1 q) V# O
这是麻省理工学院（MIT）制作的南海的吕宋海峡（位于台湾岛和菲律宾之间）的内波，它是潮流经过吕宋海峡时产生的。
2 x9 B4 s5 a6 N2 S/ X$ Q! N0 F5 A 我国南海东沙群岛附近的内波可能是世界上最强力的，幅度可达300米。
, @. ^" ?) \+ ] F6 w0 _5 l" z9 S: O 今年 Alford 在接受美国全国公共广播电台（NPR）采访时表示，美国、俄罗斯和中国都花了大笔经费研究南海的内波，因为这里的内波可能对这些国家的军事行动有很大影响。 ' n9 @% `( C8 w) ^8 K
9 q6 ~0 G, A' c3 F
1998年Radarsat-1号卫星拍摄到的南海的内波在海洋表面引发的波纹，白色箭头所指的就是内波。图片来源：CSA 1998
' e! d4 {, i; b8 H/ i3 _$ f! D9 s 看完了上面对内波的描述，你可能会认为，只要不潜水、不搭乘潜艇就没事儿了吧，实际上，在海面也有被内波欺负的可能。
. t- u; i: u) _ 内波会造成一种名为死水（dead water）的罕见现象。有些海面看起来风平浪静、人畜无害，但在海面航行的船只却无法前行，这就是遇到了死水。 : |7 _, X% O8 e! O2 P+ x# Z: H! {
这是因为船只航行在和船差不多深的淡水上，淡水下方则是盐度更高的海水，两者没有充分混合。这种情况下船的动能会被转化为内波，造成船只无法移动。峡湾附近经常会出现这种现象，因为冰川融化的淡水和峡湾的海水没有完全混合，因此淡水能轻轻地浮在上层。
& r) ^ p i2 a& {6 J d 死水现象一开始被当作水手间的奇谈，但是后来因为著名挪威探险家弗里乔夫·南森（Fridtjof Nansen）的经历而得到科学研究。
! Z1 o, v( D8 Y" p9 ]* M$ k- x
6 J/ K {# U) S* L- h+ f 1893年南森搭乘的北极探险船只。图片来源：Fridtjof Nansen
$ U2 x: Z! x, B4 G3 w# D2 E 1893年，南森在亚洲最北的半岛——泰梅尔半岛附近探险时遭遇了死水。他将自己的经历告诉了物理学家威廉·皮耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）。皮耶克尼斯和他的学生、后来被誉为现代物理海洋学的第一人的沃恩·华费特·埃克曼（Vagn Walfrid Ekman）发现，船在分层的液体上前进时会产生内波，而内波会阻碍船只前行，导致死水出现。 ( n2 f% T1 a5 C" ]
9 K. y. b' _5 Q- ?8 u: o9 Z
3 q2 ?2 V+ U! R; z% P
1 b2 t) C( g7 f9 Z 在海洋中内波简直防不胜防。麻省理工学院的海洋学家 Thomas Peacock 表示，内波就是海洋中沉睡的巨人，它们在全世界的海洋里滚来滚去，但是人类却很少看到它们。
( k8 u6 T5 g; @3 u; F 虽然内波之上常常风平浪静，但某些情况下大家可以在海边观察到内波。海面上间距较大的一行行涟漪就是下方内波的表征。
) g' l, f$ }' l9 P, N ! C) }5 e1 }& u! G0 X' |# O4 ?
内波在海面形成的图案。图片来源：Jen MacKinnon(SIO)
/ B- x9 `3 ^- I6 C- l& H 比如，索马里海岸的亚丁湾就常有内波留下的壮美“皱纹”。亚丁湾的海底地貌相当雄伟，有非常陡峭的大陆架外缘，因此常常会发生壮观的内波。当然了，这种情况下下海是极为危险的。
6 @: N! O3 P9 i& T1 r3 k [
0 D1 c6 W0 y8 f! e 索马里海岸的亚丁湾内波在海面留下的痕迹。图片来源：Earth Sciences and Image Analysis Laboratory, NASA Johnson Space Center
( \( o+ a+ w, u$ z7 f. V6 ^- A2 j 内波虽然破坏力巨大，但也是全球生态和气候中的重要一环。 . V6 L# V1 o9 i
内波能将藻类和浮游动植物进行重新分布，为海岸生态系统带来营养，也能让海水混合，这对于地球的气候变化非常重要，因此内波的活动也可以被用于预测气候变化。 / j3 w0 B. D) |; Z7 S
如果你很想观察内波但又没机会观海，望天也是一个办法。其实，不仅海里会出现内波，天上也会哦。
9 o) W9 G! S$ c! F& | 大气具有冷热分层的空气时也会形成内波。下面是澳洲北部大气中的内波形成的波纹，我们看到的是云在经过内波时被裱出的花。这种能揭示大气层中内波的云也被称为波状云（wave clouds）。 1 j: y, n$ S( ?2 ^1 E
4 z2 Y5 P# @7 J* y4 D
图片来源：Nick Hall/Paul Sabatier University * w! P! @, I4 |5 _% _- s$ |0 y
那么，波状云在地面上看是什么样的呢？我们平时在地面上看到的这样的云就是内波卷出来的。这种天空也被叫做鱼鳞天（mackerel sky）。一般来说看到这样的天空，天气就很可能会发生变化。这招观天你学会了吗？
) P) v/ k& ?9 A0 o e
; j, P) l3 f t 鱼鳞天 图片来源：http://weather.gov
; r, P# e, \2 e% h* ?* C! C 我国的浪是最强的，最浪的强国是我的。
$ h2 E8 J* W. A 参考资料储存于石墨： 8 S/ n7 d2 V* H& I6 ?: ?
https://shimo.im/docs/JDPWCgv888CXYrJt/
6 }9 R6 {2 Q' E3 Q" F% O# e2 h' A 凡本公众号转载、引用的文章 、图片、音频、视频文件等资料的版权归版权所有人所有，因此产生相关后果，由版权所有人、原始发布者和内容提供者承担，如有侵权请联系删除。 ! v0 o( G0 U0 t d
6 x/ Y* T) e- W8 z* ^
7 D( c) i0 B7 ?! z/ d
: q7 O X0 N$ Y
% k, l l( K# {( [ | 
