|
- t7 W$ g& W9 K0 G 原创文章版权归微信公众号
7 w: c+ z0 S: |6 |- V “把科学带回家”所有 ; u8 P2 x6 \$ ^ n/ E! e% X$ K
撰文 七君 , w3 U1 B- S6 d7 D; Z
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。 , Q( T# ], ?. ~0 @5 Y, S0 x: v7 ~# }
/ A& C7 e# S/ T0 G9 G2 v* A 印尼南伽拉号潜艇活着时候的样子。 图片来源：ANTARA / VIA REUTERS 7 E/ O6 g3 @2 y3 \* t
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）。 $ c1 L2 h1 ~& x! Y% h" Y3 r( [
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。 , ?" m, x$ i* g4 O7 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。 8 e6 M* \; F: W$ C1 @& M
2 ^# d; ~" V4 _0 G
" w( [2 A' W& _4 ?! s% L' w1 ~
# ?& O" W8 `8 n9 Q4 `1 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 ) [, [8 ?/ j5 V- _: ]9 p; n4 e
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。 + h5 D& U+ j, w( S& F
/ ` t0 p5 U7 }
全球出现内波的地方。图片来源：Cornell Civil and Environmental Engineering
3 D( w. n! |/ H5 D) Z 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。
' b4 z3 H: ^( r 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。
" K# z/ o* l5 H" I8 @ X# Z1 s$ c 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。
/ a! K9 U7 F8 |+ z
! f4 @4 H8 H7 q 畏惧内波的不仅有潜水员，还有各国的潜艇。 6 P! |; C( }2 z$ F$ M
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。
' o( a7 e" t2 ]; u8 O 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。 7 q9 m. _9 y; S0 {* Y
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。 # X6 O5 W+ L) V* O+ \0 {
+ c) d% Z" z5 q8 s% K 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 . q1 v8 ]0 i! K8 S5 h! c% h# V+ 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。
, i( D, R4 P5 v0 \0 O7 A! @+ G . o( v4 P" T: f8 k5 s5 _# Q
( T% h% {: ]) A+ t- a# P 9 E, ~: t, p- |- v. |
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。 8 u6 L5 t) U2 R# U2 M
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。
# n- H! o. _+ D$ I: h1 v 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。 * F" n& x' b6 m: z
4 Q7 U `/ i% p 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
! s# ~* H: t" V4 x& }" f, M4 B4 N 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。
' ` G" ~( Q! S4 | 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。 ! @: {% j2 d' ^2 z8 S
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。
+ L; E6 p2 u4 G3 }5 i( }1 M! Z% H7 {) h 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。
+ h. J6 @' L5 D7 e0 B8 e6 @, M* P
4 f1 h4 i; k6 o: I: N9 y 1893年南森搭乘的北极探险船只。图片来源：Fridtjof Nansen
( |$ p5 J+ ~6 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。
" Q3 B$ Q8 x3 t7 d$ K! N1 {# G; o! H ; \! l4 t0 j4 P
5 i' r& b% z. D5 i q
' V( \9 c+ c. l: 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。
# k- \, b3 ?7 C9 n 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。
$ N% c3 T- a0 ~: Q. T3 Q, f ( d$ i* E9 S' w4 V, ?2 G$ r
内波在海面形成的图案。图片来源：Jen MacKinnon(SIO) - x( _ ?+ m. Z3 |$ X2 a. O
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。 ) S# d8 g: B& D8 D; l9 w' k, T
3 S# c8 I2 J* {) ^+ Q2 v. M
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 2 D" y! ~5 C4 h" Q: b
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。 3 G9 }' k/ [% l$ X# \
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。 ! [" o, H. P2 i3 _
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。 8 R, a+ j7 c) O9 E" N$ g' R" W% n
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 _' g7 X1 z& Q9 F# l- X2 y3 P5 m 0 m3 ~ t! s& @. x
图片来源：Nick Hall/Paul Sabatier University ! @6 q( Y: t9 ?1 I& Q p- v
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？ & j+ Q% P- C, A
l4 N# Y0 z7 C, ~/ b
鱼鳞天 图片来源：http://weather.gov # `0 i: Q0 c& @! l4 C& e3 I
我国的浪是最强的，最浪的强国是我的。
5 { ~: s' V5 M5 h, o! [2 f8 h8 U 参考资料储存于石墨：
6 |( l: R, o; v, |' A A$ @ https://shimo.im/docs/JDPWCgv888CXYrJt/ ; b& x8 W/ |. r5 A, G
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。 + }. t: M2 m6 Q% y% { X8 H$ a
6 Q: L% J' I9 k" @0 i
0 D# @+ V. \, V' X
7 A& u K5 g7 t' \3 `6 K3 N k6 @, x( B
| 
