|
' z# D8 M; c; `6 i
原创文章版权归微信公众号
. y1 V. u* ?$ Y: X3 K “把科学带回家”所有
6 t) p3 ~: D: k+ F/ \/ ]! y x3 \" ` 撰文 七君 4 a, L$ L0 F& W! z9 l. O
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。
4 z. J( g7 B7 }0 v" Y
; A1 \. n# J& v4 z 印尼南伽拉号潜艇活着时候的样子。 图片来源：ANTARA / VIA REUTERS
3 i+ D+ F5 {4 E* ~( }5 N' b 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）。
: v% Q1 P% D6 i* W1 D4 S 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。 6 Z+ S' o3 ^0 W6 B1 }9 C
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。
) W# Y$ F. J/ v. o% C9 P$ v+ L; W
' t( ^9 B( x* I6 A! F4 v
' V4 S8 n9 Y: K8 t $ S- t {5 k b, m+ g
在水（蓝色）和油（透明）的交界处形成了内波。图片来源：Portland State University
; h- b4 _9 i" ?; S' p- }6 x) 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。 5 L$ z- y7 n7 Q, I
& ?4 u4 |3 o& }3 I* D 全球出现内波的地方。图片来源：Cornell Civil and Environmental Engineering
0 U5 _& _1 K" { 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。
) o+ K- a4 z, u0 c% G1 O& J. ~9 T 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。 1 |# I0 E# K. V3 H0 N
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。 - ?) G G6 \6 g* w; a& h2 T
& T& J9 b" ^5 d7 m 畏惧内波的不仅有潜水员，还有各国的潜艇。
" a7 @" @! M/ N3 C! g7 `- U0 t: } 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。
. H* Q, x* e9 x 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 \, I* c ]9 ~
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。 - U' L: j6 W; A3 ?" E% o% b
& m* \1 t% z+ ]
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
6 a! g0 @# ~* P7 }& ?# Q 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 r2 a n. U7 S" I( E9 d
0 V3 y. A$ N1 B/ v* g* x- _9 j$ w+ c ( d, G r' m' }, G. w! q3 j
9 v! m+ `& Z4 a& `/ K s 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。 & E3 m* @* j) D0 I" s) 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。
- G1 {! |! s: A0 f 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' g v5 U5 G) ~ / ^. {% t, j6 U3 |5 T- `
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
8 |, ~) x0 k) L3 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。 & y% F+ a& Y0 W0 O# X
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。
# m, _2 U) ^) t% O. {9 z 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。 / I$ @+ g8 i) a' a
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; U) M, S+ r( @+ K
0 Q0 T3 w8 J! Y/ ` s0 x* \2 Z \7 s 1893年南森搭乘的北极探险船只。图片来源：Fridtjof Nansen - }' K _! w. }# d: K" H2 h0 V& I
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 J" p) ^- [* M0 L% I
4 f4 H8 T* t7 r- g" }
+ n0 m# ^+ F' k0 d, p
4 u+ h9 h% R: @7 \! [, P5 O 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。
) F! D7 r+ t2 v ^ 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。 ( n8 f4 }1 S$ y. x# F/ l
0 S8 [+ _4 V+ K/ P8 h0 W
内波在海面形成的图案。图片来源：Jen MacKinnon(SIO)
+ ?# e( y) T( a5 B M3 X 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。
! N( L/ K) Z* R: R* q' e / h7 W3 H& F# m! \& v( E
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 * g& C- ^$ @, Z' H3 G! W( X
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。 + B" @* ~. O0 h$ I, |
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。
/ P' b, C5 D4 ?" s 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。 . ?; K7 N; a6 A9 x- V9 [7 V) w
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）。
5 {# Y/ X: p6 k' g
6 e6 ~3 ]% o- v% u( X8 {- s 图片来源：Nick Hall/Paul Sabatier University
1 n, H- R0 D( S, [& b 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？
4 V0 R& R" }% w . u* s8 ?$ V' `" b3 H. c* W8 ~$ V
鱼鳞天 图片来源：http://weather.gov # U, ~! y }" D2 v
我国的浪是最强的，最浪的强国是我的。 . j6 t9 K/ Q, ~% i3 r5 B
参考资料储存于石墨： % }. q. b- k* T; _/ F0 x
https://shimo.im/docs/JDPWCgv888CXYrJt/ 0 o# ~6 e7 l7 V. c$ K, S8 h' y! H5 S
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。
b1 Y6 ]+ ?- Q' B- v: O$ o. o
, z/ k9 @' y2 ~: f$ }3 P
1 M- b- H* E& U, B" f
5 M& w9 ^% t( {) R) f( x5 c0 L* y4 G% S6 |! J4 M; N& t2 P4 P
| 
