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谁在操纵南极上空的神奇涟漪

2018-08-24 10:03:36


视觉中国



7年前,科学家使用先进的雷达,在南极上空高层大气中发现了一些神奇的涟漪,并将其确认为大气“惯性重力波”。

事实上,惯性重力波并不罕见,经常出现在地球大气的不同区域和高度上,维持时间很短,稍纵即逝。但科学家在南极上空(高度为50至80千米)发现的惯性重力波却可以维持时间长达10小时,强度也超过地球其他地区。南极惯性重力波的这些特殊性一直困扰着大气科学家们,不断有人对其机理提出各种推测和解释。

最近,当年发现该现象的研究团队试图对这一现象进行解释,并将成果发表在《地球物理学研究:大气》期刊上。

那么,到底什么是惯性重力波,为什么南极惯性重力波的维持时间和强度远大于地球其他区域?记者就此采访了中科院大气物理所低层大气探测研究部主任邹捍。1988年他参加过南极科学考察,对南极大气有较为深入的研究。


到底什么是惯性重力波

邹捍告诉科技日报记者,地球上的任何一个物体都会受到向下的地球引力即重力的影响。漂浮在液体或气体中的物体都受到向上的浮力。当重力和浮力平衡的时候,这个物体就平稳地悬浮在液体或气体中。比如,给氢气球加上适当的配重,它可以悬浮在空气中任意的高度上。在氢气球的重力和浮力达到平衡后,对它施加一个外力,比如用手轻轻地将其向下拉动一下,它就会在空气中上下跳动。

事实上,地球大气层也是由具有不同密度的气块组成的,低层气块的密度大,高层气块的密度小。如果没有外力扰动,这些气块处于重力和浮力平衡中,稳定悬浮在自己的位置上。

“如同上面所说的氢气球,气块如果受到垂直方向的扰动,它们将围绕自己的平衡位置震荡。”邹捍说,这种上下震荡被称为重力波。重力波导致的大范围大气垂直运动,可以使大气水分凝结,形成高层带状云系,形似涟漪,非常壮观。

由于地球自转,地球上任何水平运动的物体都会受到一种惯性力——科里奥利力。在科里奥利力作用下,在北半球做水平运动的物体会向右偏转,在南半球则向左偏转。

在真实大气中,大气重力波不仅有垂直方向的震荡,也存在水平方向的震荡。在科里奥利力作用下,重力波的水平往复运动将获得与运动方向正交的惯性震荡。这种受到地球自转惯性作用影响的重力波,被称为“惯性重力波”。

但邹捍说,从惯性重力波运动本质看,它是空气质点在地球重力和浮力作用下的震荡,是经典力学中的波动现象。它与引力场在太空中传播形成的引力波无关,更与不同引力波相干涉产生的“涟漪”风马牛不相及。


南极惯性重力波为何与众不同

一个值得关注的现象是,南极惯性重力波的强度和持续时间大于地球其他地区。

对于南极上空的这种持续惯性重力波产生的原因,一种解释认为,这种波实际上源自其下方大气层中较小的波动;另一种解释认为可能与极地涡旋有关;还有一种解释认为是由海浪造成的南极罗斯冰架振动造成的。

邹捍比较认同前两种解释。

南极地区的大气环流有着自己的独特“个性”。受南半球的地理特征和大气驱动力影响,南极上空的大气运动以绕极环流为主,南北向运动较弱。冬季极夜期间,南极上空的绕极环流更加强盛,风速最大区在南极大陆边缘,可持续几个月。南极上空这一绕极环流被称为“南极极涡”,其高度范围从数公里直到50公里以上,是南极地区大气运动的主要特征,明显区别于地球其他地区。

南极极涡像一堵无形的墙,围绕在南极上空,阻止南极内部的空气与外界空气交换,使南极上空的大气属性明显区别于外部。当南极大陆上空大气南北向运动时,穿过南极极涡边缘产生跳动,就使得空气气块离开浮力平衡位置,激发出大气惯性重力波。

值得一提的是,冬季的南极极涡非常深厚,从对流层中上层一直到整个平流层。在南极上空,所有穿过南极极涡边缘的大气运动均可激发惯性重力波,这些惯性重力波的能量逐渐上传,在平流层顶附近积累,形成较其他地区更强的惯性重力波,使其维持时间远远超过地球其他地区。

关于“由海浪造成的南极罗斯冰架振动产生南极大气惯性重力波”的解释。邹捍认为,相对于南极上空惯性重力波的振幅,罗斯冰架震动对大气的影响相当微弱,并且距离平流层上层非常遥远,这种影响基本可以忽略。因此,由海浪造成的南极罗斯冰架振动产生南极大气惯性重力波的说法从科学上讲有些牵强。


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探测技术发展让它成功引起科学家的注意

邹捍说,在过去的大气研究中,由于中高层大气探测手段较弱,人们对惯性重力波这一大气运动了解较少,无法清晰地描述和解释其发生和发展过程及其对大气过程的影响。近年来,随着中高层大气探测技术不断发展,例如激光雷达技术的应用,人们对大气惯性重力波的探测能力不断增强,认识也不断加深。这也是为什么近年来南极大气惯性重力波引起人们注意的原因。

但邹捍同时表示,作为一种大气波动形式,以往对惯性重力波的研究并不热门。一个重要原因是,在全球气候变暖背景下,人们最关心的是接近地球表面的低层大气,与人类活动相关的大部分大气过程,像风霜雨雪、大气污染等,都发生在这个层次。比如,在气候变化研究中,最重要的指标就是地面大气温度。尽管惯性重力波存在于大气的各个层次中,但在低层大气中,惯性重力波的强度远小于其他大气运动形式,对人们关心的天气、气候和环境过程影响较小。只有在较高的大气层次中,其他大气运动显得较为平稳,大气惯性重力波才变得较为明显和重要。


来源:科技日报


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