来源:把科学带回家

  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。

 印尼南伽拉号潜艇活着时候的样子。 图片来源:ANTARA / VIA REUTERS

  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)。

  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。

  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。

在水(蓝色)和油(透明)的交界处形成了内波。图片来源:Portland State University

  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。

 全球出现内波的地方。图片来源:Cornell Civil and Environmental Engineering

  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。

  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。

  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。

  畏惧内波的不仅有潜水员,还有各国的潜艇。

  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。

  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。

  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。

 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

  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。

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

  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。

  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。

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

  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。

  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。

  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。

  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。

 南森搭乘的北极探险船只。图片来源:Fridtjof Nansen

  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。

  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。

  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。

内波在海面形成的图案。图片来源:Jen MacKinnon(SIO)

  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。

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

  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。

  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。

  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。

  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)。

 图片来源:Nick Hall/Paul Sabatier University

  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?

鱼鳞天 图片来源:weather.gov

  我国的浪是最强的,最浪的强国是我的。


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