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        南極上空的神奇漣漪怎么產(chǎn)生?

        2018-11-05 23:29:26
        大眾科學(xué) 2018年9期
        關(guān)鍵詞:浮力慣性南極

        幾年前,科學(xué)家在南極上空高層大氣中發(fā)現(xiàn)了一些神奇的漣漪,并將其確認(rèn)為大氣“慣性重力波”。

        事實(shí)上,慣性重力波并不罕見,經(jīng)常出現(xiàn)在地球大氣的不同區(qū)域和高度上,維持時(shí)間很短,稍縱即逝。但科學(xué)家在南極上空(高度為50至80千米)發(fā)現(xiàn)的慣性重力波卻可以維持長達(dá)10小時(shí),強(qiáng)度也超過地球其他地區(qū)。南極慣性重力波的這些特殊性一直困擾著大氣科學(xué)家們,不斷有人對其機(jī)理提出各種推測和解釋。

        到底什么是慣性重力波

        我們知道,地球上任何一個(gè)物體都會(huì)受到向下的地球引力,即重力的影響;而漂浮在液體或氣體中的物體都受到向上的浮力。當(dāng)重力和浮力平衡時(shí),這個(gè)物體就平穩(wěn)地懸浮在液體或氣體中。比如,給氫氣球加上適當(dāng)?shù)呐渲?,它可以懸浮在空氣中任意的高度上。在氫氣球的重力和浮力達(dá)到平衡后,對它施加一個(gè)外力,比如用手輕輕地將其向下拉動(dòng)一下,它就會(huì)在空氣中上下跳動(dòng)。

        事實(shí)上,地球大氣層也是由具有不同密度的氣塊組成的,低層氣塊的密度大,高層氣塊的密度小。如果沒有外力擾動(dòng),這些氣塊處于重力和浮力平衡中,穩(wěn)定懸浮在自己的位置上。

        如同上面所說的氫氣球,氣塊如果受到垂直方向的擾動(dòng),它們將圍繞自己的平衡位置震蕩。這種上下震蕩被稱為重力波。重力波導(dǎo)致的大范圍大氣垂直運(yùn)動(dòng),可以使大氣水分凝結(jié),形成高層帶狀云系,形似漣漪。

        由于地球自轉(zhuǎn),地球上任何水平運(yùn)動(dòng)的物體都會(huì)受到一種慣性力——科里奧利力。在科里奧利力作用下,在北半球做水平運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)向右偏轉(zhuǎn),在南半球則向左偏轉(zhuǎn)。

        在真實(shí)大氣中,大氣重力波不僅有垂直方向的震蕩,也存在水平方向的震蕩。在科里奧利力作用下,重力波的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)將獲得與運(yùn)動(dòng)方向正交的慣性震蕩。這種受到地球自轉(zhuǎn)慣性作用影響的重力波,被稱為“慣性重力波”。

        目前,關(guān)于南極上空這種持續(xù)慣性重力波產(chǎn)生的原因有三種解釋,一種解釋認(rèn)為,這種波實(shí)際上源自其下方大氣層中較小的波動(dòng);另一種解釋認(rèn)為可能與極地渦旋有關(guān);還有一種解釋認(rèn)為由海浪造成的南極羅斯冰架振動(dòng)造成的。

        有專家表示,更支持前兩種解釋,認(rèn)為南極地區(qū)的大氣環(huán)流有著自己的獨(dú)特“個(gè)性”。受南半球的地理特征和大氣驅(qū)動(dòng)力影響,南極上空的大氣運(yùn)動(dòng)以繞極環(huán)流為主,南北向運(yùn)動(dòng)較弱。冬季極夜期間,南極上空的繞極環(huán)流更加強(qiáng)盛,風(fēng)速最大區(qū)在南極大陸邊緣,可持續(xù)幾個(gè)月。南極上空這一繞極環(huán)流被稱為“南極極渦”,其高度范圍從數(shù)公里直到50公里以上,是南極地區(qū)大氣運(yùn)動(dòng)的主要特征,明顯區(qū)別于地球其他地區(qū)。

        南極極渦如同一堵無形的墻,圍繞在南極上空,阻止南極內(nèi)部的空氣與外界空氣交換,使南極上空的大氣屬性明顯區(qū)別于外部。當(dāng)南極大陸上空大氣南北向運(yùn)動(dòng)時(shí),穿過南極極渦邊緣產(chǎn)生跳動(dòng),就使得空氣氣塊離開浮力平衡位置,激發(fā)出大氣慣性重力波。

        值得一提的是,冬季的南極極渦非常深厚,從對流層中上層一直到整個(gè)平流層。在南極上空,所有穿過南極極渦邊緣的大氣運(yùn)動(dòng)均可激發(fā)慣性重力波,這些慣性重力波的能量逐漸上傳,在平流層頂附近積累,形成較其他地區(qū)更強(qiáng)的慣性重力波,使其維持時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地球其他地區(qū)。

        而關(guān)于第三種解釋。該專家認(rèn)為,相對于南極上空慣性重力波的振幅,羅斯冰架震動(dòng)對大氣的影響相當(dāng)微弱,并且距離平流層上層非常遙遠(yuǎn),這種影響基本可以忽略。因此,由海浪造成的南極羅斯冰架振動(dòng)產(chǎn)生南極大氣慣性重力波的說法從科學(xué)上講有些牽強(qiáng)。(編輯/任偉)

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