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4 t9 R% E( ?/ d “把科学带回家”所有
Q2 R& K% O" L0 g& C 撰文 七君
+ c- U4 c$ b. ^/ S8 ^( A ^ 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。 * z9 n+ `3 r6 e3 c
4 L1 V8 N* Y; }! d4 R9 h 印尼南伽拉号潜艇活着时候的样子。 图片来源：ANTARA / VIA REUTERS * c) D4 x0 E7 H
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）。 7 R3 f3 P1 q! u+ f4 G0 H
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。 % L" \6 H) Y0 Y v \; B+ [$ F
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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在水（蓝色）和油（透明）的交界处形成了内波。图片来源：Portland State University
/ S$ W% _% c" @9 r2 l s% ^ 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。 8 n: P$ h, S) Y2 O$ L
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全球出现内波的地方。图片来源：Cornell Civil and Environmental Engineering 2 b8 }; \- J/ v$ _3 w5 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。 ' m# Z& I; c8 T* 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。
& b" c6 R# ?% f, H 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。 5 o6 B8 u w+ j9 ?: d" }
f. q, _! L8 _8 S) _5 K 畏惧内波的不仅有潜水员，还有各国的潜艇。 2 G2 p1 o& X) D5 u- a
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 _. I$ p& A6 O/ |% M
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。 % ~% X+ _% T4 [
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 k$ H( d3 o+ v% U3 t5 S 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
+ |2 s) O4 p0 f. C3 O 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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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 }! V, k& n1 x8 P/ o8 x
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。
5 N) O: u5 g$ s 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。 ' J" T x2 ]/ a. |$ X+ \
5 \% H: V3 J0 R- m& Q 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
r+ P4 C3 j) I) B+ m+ b+ t1 d1 } 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。
: @: b( d) C' T& w# R 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。 % ^" F9 c; U5 K. i; m
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。
" `2 w: H" D* c( b* ] 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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1893年南森搭乘的北极探险船只。图片来源：Fridtjof Nansen
: q* S4 \% K4 P9 u5 E4 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。 7 @8 Y8 E G+ q8 U$ `4 G$ |% y. h
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1 f% S1 h" a4 `2 A! A 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。
0 {1 \- o/ V6 w( _ u# L- O) e2 Y 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。 ; `7 L* O* V# U# }0 i( a
! I+ D8 M: O2 |8 s! l5 } 内波在海面形成的图案。图片来源：Jen MacKinnon(SIO)
& r/ W! A+ b' Z2 g: ]: F 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。 1 G: E& z; Y7 K
# V5 I5 s4 @3 P r: d/ 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
8 R6 Y h# m( i, e$ ?( ] 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。 7 U/ E; R% m9 b7 c4 I4 K, s, s
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。
- b) f1 L2 A( z1 p: M3 |) l/ [) | 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。 - l# [' D. R. f$ v+ o2 q8 [
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）。 : B. s/ s( g% V, H7 G
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图片来源：Nick Hall/Paul Sabatier University
" ~$ V+ f9 }$ ?" _* w2 n 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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鱼鳞天 图片来源：http://weather.gov 0 b- @+ x& X! O6 ?/ X C8 }2 n
我国的浪是最强的，最浪的强国是我的。 + F0 w5 g E) Y' c/ J+ W
参考资料储存于石墨： ; P7 ]; V8 F- _7 Q4 Q+ \1 R
https://shimo.im/docs/JDPWCgv888CXYrJt/ $ O( a& n+ T& i5 r$ B6 t# E6 I
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