|
# u2 k- B. d; V- s# m 原创文章版权归微信公众号 . Q7 k* V8 }& B# ]0 Z: S8 F7 p
“把科学带回家”所有 ; o2 {+ C& k' E$ n% m& @
撰文 七君 4 }; s8 e- R) C7 I
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。 6 f% |0 S; [5 U+ m6 h W
6 K$ s& S: }. { 印尼南伽拉号潜艇活着时候的样子。 图片来源：ANTARA / VIA REUTERS
1 E5 F, s& I8 d8 { 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）。 3 M) a4 ^0 b" }) c( ~
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。
f4 i' K, r3 z# K 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 p% i# ~. ~3 f3 y2 P
+ M- B7 h9 K8 D2 t
) \' w Y0 ~, w5 T) ^: _* B
% u/ x- [- F" F0 ], K8 _ 在水（蓝色）和油（透明）的交界处形成了内波。图片来源：Portland State University 5 G) d7 O$ g1 Q. D* Q! Q& u: n! ]
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 N4 {6 s2 c& ]1 `$ b6 Q
3 z: G; x* D& i. c! m. F# c" K1 C0 h 全球出现内波的地方。图片来源：Cornell Civil and Environmental Engineering
& x3 o6 K1 u8 L# ` 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。 0 J- g; P$ T; i' W' d
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。
! u4 p0 U7 V* U4 [8 v 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。
/ ?! w4 j8 M; ]2 Y& ` * O2 P$ y8 }) W- r: m2 C3 y
畏惧内波的不仅有潜水员，还有各国的潜艇。 1 z5 O+ i% ^6 ~# {- n) f
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。
% s& a; t+ }$ x. r9 a 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。
" u/ l% n8 o* L 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。
& [7 G- ^2 Y) ]& S5 L
5 T& Z( n' _2 v6 }9 S* 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 ) x% A/ L/ E) M2 F- A4 Y* ~
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。 2 M1 S" P- ^' q& o% N0 k" V
$ ~3 }) k! q9 q! w$ L/ @ ; p# l+ e3 q( x% W
2 g- n O) Q9 b+ t' o0 @1 e! G1 N) s W 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。 B* J" R0 {- m5 O
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。
$ C) G, E) n4 n, i 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。
0 w" W6 L; W' O/ e3 V/ Y
5 \1 C& ^8 U; n0 L- e 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 ' y" ?0 }% I3 S$ z6 K
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。 * w, w. j: ]1 q! |; X4 ~' i; t
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。 . s3 m3 O- Z' ]' e @# u u/ p4 Y
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。 $ ?3 x# b1 l' g( ]: p6 l Q* Z
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。
* R1 J7 ]& Q2 X- X
1 N; o! N- C c# r8 ]+ _4 ^ 1893年南森搭乘的北极探险船只。图片来源：Fridtjof Nansen . m0 x5 c+ t6 w- N
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。 % [8 @1 |/ Q2 ^- w; ~
7 Q7 N% L7 }9 a- \0 l3 l
, K' W$ t% g" u% k% y : u& \8 t8 f6 K6 F+ S$ b3 }
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。
% u( t( W- K% I# }- j0 U 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。 $ g, ?! \+ K8 c1 S+ ~6 V8 V& x
# T/ S3 U8 |0 E+ ^9 w! h" w p 内波在海面形成的图案。图片来源：Jen MacKinnon(SIO) 3 T5 T6 ]3 ]2 N5 W) 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。
% H+ c7 f' R4 x) i/ X* d # n; Y6 h7 G" h& S6 a5 i ?4 S
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 + G3 Y$ C1 U0 V
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。
" o7 k1 c6 b3 ]. M; V! i4 N 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。
. {* ^4 t" E6 E: s- 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。
. Q2 \3 ^3 l% D$ m5 [7 E 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）。 2 @2 A6 z4 g' n2 q) T4 t2 G
, O$ \" ]- a2 z9 d
图片来源：Nick Hall/Paul Sabatier University - w5 a: R& R3 c8 A: u
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？ ' Z/ ]. l5 G, Z; I u) q' r
! C: }1 N" p6 ? 鱼鳞天 图片来源：http://weather.gov
' w% \& |9 B0 t& X/ H$ ] 我国的浪是最强的，最浪的强国是我的。
9 K: i9 M3 u) a1 M o" c' [0 Y& V5 b# b 参考资料储存于石墨： 6 }( m$ m; L6 u( X4 H
https://shimo.im/docs/JDPWCgv888CXYrJt/ " F0 I. x8 o# v7 s1 w5 h% 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。
% E" q! v n8 |& q
/ H# P' z+ j( w/ u' W+ d. I3 O$ f; k8 v: J/ T' B
# z. I3 P7 j' i; F/ L. N; {) o; k$ i
| 
