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“把科学带回家”所有 " ~$ E7 l" J/ G, g2 R' `; n$ p
撰文 七君
0 J0 U4 J, N( I" t! N8 D2 u 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。
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" ] a: @" v3 O& R' } 印尼南伽拉号潜艇活着时候的样子。 图片来源：ANTARA / VIA REUTERS
! @) H" y! i+ X 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）。 3 A/ f: R% r& E1 u2 P$ y& t4 x
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。 ! i5 ~ ~2 F. m+ B
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。
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: v8 J" c! ?! e( w! |( M* x! y4 ^ 在水（蓝色）和油（透明）的交界处形成了内波。图片来源：Portland State University ! E) r y! ^% \
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。 N/ F# @0 u8 x
' Q1 U O0 L7 m! N: R x 全球出现内波的地方。图片来源：Cornell Civil and Environmental Engineering
) u. o& g& f; ` 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。 ! I0 n' a5 o9 _7 F% K3 Z
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。
- z, k3 q) b6 Q. b! {! I 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。
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畏惧内波的不仅有潜水员，还有各国的潜艇。
- L! o; T) m. q 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。 1 _3 N+ T$ }: z$ N+ k7 y7 c3 [
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。
9 g/ @9 J/ l0 I' 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。
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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 ! `- n/ q1 ~7 L* r# \
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。 ; ]6 M- D# l) r: O9 C
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+ R3 H5 J. m) x; m [ 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。 # m- Z6 T9 d& d7 v
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。 6 _3 N; @( G" ?6 F2 _4 K- }4 g
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。
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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 $ M* c1 `' F4 h5 D
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。
! b8 {6 [- I. a1 k# \ 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。 ; O0 }- |0 B- ~5 {( J& \0 v4 |, K
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。 : G8 E* v E! `) g! z+ R1 ]" _; v; }
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。 # Z: J0 `! i, O+ G& d
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1893年南森搭乘的北极探险船只。图片来源：Fridtjof Nansen
2 E* t+ G5 K4 l; ?9 o( _ 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。 " c _ |( g/ m) c4 p7 D2 C
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2 r) e( k5 u4 S3 p 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。
# M* s" M' M/ D1 P- {+ g 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。 : w& _+ Q5 K0 Q. K; @$ J
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内波在海面形成的图案。图片来源：Jen MacKinnon(SIO)
+ F5 s5 D8 z# q6 X$ h- i$ [, ] 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。 + _2 e. @ T' d/ |6 H
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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
. s* z" P, t' C 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。
6 q/ } x9 z8 W L 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。 5 @3 B6 s0 t3 W/ q& b% s+ c
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。 `7 S/ A: W+ ~$ o, A9 k5 \
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）。
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" G p" O! `) ` 图片来源：Nick Hall/Paul Sabatier University % Q O g- w- U1 O2 M
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？ / W* R$ T& _3 D7 X( o# ^
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鱼鳞天 图片来源：http://weather.gov 0 Q8 I6 T, ^1 z! K5 Q, U" h
我国的浪是最强的，最浪的强国是我的。 # P8 ]( \- i# y4 E+ u+ R
参考资料储存于石墨： 3 i4 Y6 u$ S% \8 c1 B2 w- m0 x
https://shimo.im/docs/JDPWCgv888CXYrJt/ ' M. }( U4 ?" m. ~
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