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“把科学带回家”所有 4 h! T8 Y( [ q- l) E1 S' H
撰文 七君
4 K$ b+ q: x0 z4 }& u. K. i 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。 ) |4 n3 S5 p- K# \6 T
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印尼南伽拉号潜艇活着时候的样子。 图片来源：ANTARA / VIA REUTERS , j0 V9 B& M* M( Z* Q
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）。 0 R \, g# d" y1 s
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。 * h0 f) j- G' G F1 q
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。 # J6 A! Z' H0 S2 d
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在水（蓝色）和油（透明）的交界处形成了内波。图片来源：Portland State University
6 x6 U3 E6 \1 t- a8 C0 k9 k/ C* P5 U 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 D0 ]% r- B4 R
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全球出现内波的地方。图片来源：Cornell Civil and Environmental Engineering
3 G1 J! |6 P" J( M 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。
) ^. L ]0 D. y8 ? \2 X 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。 ; W2 ~5 W- b- J7 V% `# |
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。 - Z8 R4 f1 r9 z: v$ L7 P% ]; R
$ a" o5 t/ N6 `6 k: X4 U5 P5 o* N7 k 畏惧内波的不仅有潜水员，还有各国的潜艇。
% J0 b9 x h. Y9 w 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。
$ q: g! ]; C0 | 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 N3 Q& d+ w1 A2 b5 J: C 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。 2 Y0 c. I' K' B+ j
+ v+ m% m; M' L2 ]. l 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
* z- n! r' ]' Q 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。
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/ T; [4 }4 C1 z- | 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。 3 G9 O1 q4 M3 [3 T$ ?
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。 , L# N' g& a% L3 \3 T
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。 : A: k& ]* D" C) m1 s& C6 G6 }# z2 U
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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) K% @! N1 r% f0 ^( u+ k |) f 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。 7 Y5 v7 B! Q( n g
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。 8 f0 Z9 u6 \( ~0 J& N. x, L
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。
) A3 k$ f) ]8 y3 N5 U 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。
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, l0 l4 T$ T2 K. R: {' p 1893年南森搭乘的北极探险船只。图片来源：Fridtjof Nansen
`8 R( f; U5 T 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。 3 @9 e1 K: E; T- z
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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。
; o/ Z3 Q' @) l8 C! {& ^5 S 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。 ( q2 t& ~( Y. Y X! E! K+ {
! F8 L1 s( y% l6 ?5 @( q 内波在海面形成的图案。图片来源：Jen MacKinnon(SIO) - T& o7 Y/ a& V m4 T) m
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。
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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 : z1 D) w9 r7 H2 I0 Z* A3 U
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。 * Q* O! `' }- w! s5 x+ H- ~
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。 . ^# ?% I2 f# @& D7 S# ]1 W
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。 5 d5 r! ~+ i" T
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）。 , ?5 F0 ^ U2 I8 P1 p, W- i7 m
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图片来源：Nick Hall/Paul Sabatier University " a5 E+ S% z* A+ ]
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？
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1 i; y+ H) j6 B0 N. K4 b6 P 鱼鳞天 图片来源：http://weather.gov 7 H) Z6 ^, _; T0 b9 m
我国的浪是最强的，最浪的强国是我的。 1 d3 M* f$ ^0 M( F8 U1 `! s
参考资料储存于石墨： - t) v# o& @) D' q8 o% q
https://shimo.im/docs/JDPWCgv888CXYrJt/ 2 X, C3 x0 ]. Z
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