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7 w. M1 A( _% S/ p9 R/ M( _' y “把科学带回家”所有
& S1 d- Q/ n' [0 o j 撰文 七君 * n, n1 E3 \1 |6 b/ {2 Y
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。 * t9 _* G! |2 `- ?2 b. A% ]- `
# T$ K' P8 j( n 印尼南伽拉号潜艇活着时候的样子。 图片来源：ANTARA / VIA REUTERS
% n. _" d1 \1 w6 @ 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）。
4 Q2 {" _" W2 V8 Y6 _+ n; r6 d1 O1 K 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。 ' Y" T0 R* L* x U0 C K9 `/ T
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。 , x, b. r* h* W2 S9 j5 d
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5 L3 g- I2 v. j: Z0 p: T 在水（蓝色）和油（透明）的交界处形成了内波。图片来源：Portland State University ! m* C6 _! X4 p* O8 {
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。
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全球出现内波的地方。图片来源：Cornell Civil and Environmental Engineering
8 {+ ^8 m' w2 w# H* A4 @ 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。
/ Y+ e; M* M0 k6 r2 I2 F8 U+ ~ 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。
% T4 x, q- h( L6 p 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。
8 X7 ~! L/ c3 ` D 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。
3 j3 X% j s( K+ f1 F8 W 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。 4 G/ h: b8 J2 H9 w2 U
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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8 L6 @9 \& w( l5 h 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 ' K% J! J; O/ P8 B$ u
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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& e2 _8 B; `# y3 R 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。 5 J8 X$ C- D }/ 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。 9 ~- R# T8 P4 L" k* ^0 x. V. h
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。 ( h( n. }8 S: W- B1 [/ b
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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 / q6 \. z9 q, L/ a4 y$ ?
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。
, H1 | Q& q3 j% m 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。 ; @6 T2 d- a5 ]
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。
7 S# k$ U7 r( ?, V. W+ l l 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。 3 g5 v6 f; [; W4 H; Q
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1893年南森搭乘的北极探险船只。图片来源：Fridtjof Nansen
) x' \' V* ?' q- b) ]1 W 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。 $ x3 j! q/ T$ _# |9 w! c' Q5 t
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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。
) }) Q8 W4 n# X2 [ 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。
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. @6 G$ F, `4 u1 h 内波在海面形成的图案。图片来源：Jen MacKinnon(SIO)
* M4 g9 L) k5 t7 z2 q0 l B' R 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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% L+ E7 Y w* n9 K7 V 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
0 R1 [/ h/ Y; M: J7 _ 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。
. ]; \- U" ` v1 c2 a 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。 6 f1 g! A5 m" K
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 a$ o' D* H6 Q7 K" f' C' q$ X" c( m 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）。 0 w; G0 W2 }; ^% t% j5 N; k
4 _/ J' w. @2 ^. T) x P 图片来源：Nick Hall/Paul Sabatier University
4 Z) [6 l, }, @3 x: f- D. Q. E, r 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？ 7 y! S9 T% M- C$ O( H7 m7 t* R
: i9 O: ?1 _! { 鱼鳞天 图片来源：http://weather.gov
& E! I# ^" k! h1 _8 b 我国的浪是最强的，最浪的强国是我的。
4 p5 d) m* N3 e4 h 参考资料储存于石墨： 8 t) F! Z" D6 y/ o
https://shimo.im/docs/JDPWCgv888CXYrJt/ 4 l# c# g5 J9 ~ ^3 p7 n
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