誰在操縱南極上空的神奇漣漪
7年前,科學家使用先進的雷達,在南極上空高層大氣中發(fā)現(xiàn)了一些神奇的漣漪,并將其確認為大氣“慣性重力波”。
事實上,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,維持時間很短,稍縱即逝。但科學家在南極上空(高度為50至80千米)發(fā)現(xiàn)的慣性重力波卻可以維持時間長達10小時,強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家們,不斷有人對其機理提出各種推測和解釋。
最近,當年發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象的研究團隊試圖對這一現(xiàn)象進行解釋,并將成果發(fā)表在《地球物理學研究:大氣》期刊上。
那么,到底什么是慣性重力波,為什么南極慣性重力波的維持時間和強度遠大于地球其他區(qū)域?記者就此采訪了中科院大氣物理所低層大氣探測研究部主任鄒捍。1988年他參加過南極科學考察,對南極大氣有較為深入的研究。
到底什么是慣性重力波
鄒捍告訴科技日報記者,地球上的任何一個物體都會受到向下的地球引力即重力的影響。漂浮在液體或氣體中的物體都受到向上的浮力。當重力和浮力平衡的時候,這個物體就平穩(wěn)地懸浮在液體或氣體中。比如,給氫氣球加上適當?shù)呐渲兀梢詰腋≡诳諝庵腥我獾母叨壬稀T跉錃馇虻闹亓透×_到平衡后,對它施加一個外力,比如用手輕輕地將其向下拉動一下,它就會在空氣中上下跳動。
事實上,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,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,它們將圍繞自己的平衡位置震蕩。”鄒捍說,這種上下震蕩被稱為重力波。重力波導致的大范圍大氣垂直運動,可以使大氣水分凝結,形成高層帶狀云系,形似漣漪,非常壯觀。
由于地球自轉,地球上任何水平運動的物體都會受到一種慣性力——科里奧利力。在科里奧利力作用下,在北半球做水平運動的物體會向右偏轉,在南半球則向左偏轉。
在真實大氣中,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,重力波的水平往復運動將獲得與運動方向正交的慣性震蕩。這種受到地球自轉慣性作用影響的重力波,被稱為“慣性重力波”。
但鄒捍說,從慣性重力波運動本質看,它是空氣質點在地球重力和浮力作用下的震蕩,是經(jīng)典力學中的波動現(xiàn)象。它與引力場在太空中傳播形成的引力波無關,更與不同引力波相干涉產(chǎn)生的“漣漪”風馬牛不相及。
南極慣性重力波為何與眾不同
一個值得關注的現(xiàn)象是,南極慣性重力波的強度和持續(xù)時間大于地球其他地區(qū)。
對于南極上空的這種持續(xù)慣性重力波產(chǎn)生的原因,一種解釋認為,這種波實際上源自其下方大氣層中較小的波動;另一種解釋認為可能與極地渦旋有關;還有一種解釋認為是由海浪造成的南極羅斯冰架振動造成的。
鄒捍比較認同前兩種解釋。
南極地區(qū)的大氣環(huán)流有著自己的獨特“個性”。受南半球的地理特征和大氣驅動力影響,南極上空的大氣運動以繞極環(huán)流為主,南北向運動較弱。冬季極夜期間,南極上空的繞極環(huán)流更加強盛,風速最大區(qū)在南極大陸邊緣,可持續(xù)幾個月。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)大氣運動的主要特征,明顯區(qū)別于地球其他地區(qū)。
南極極渦像一堵無形的墻,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。當南極大陸上空大氣南北向運動時,穿過南極極渦邊緣產(chǎn)生跳動,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平流層。在南極上空,所有穿過南極極渦邊緣的大氣運動均可激發(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)更強的慣性重力波,使其維持時間遠遠超過地球其他地區(qū)。
關于“由海浪造成的南極羅斯冰架振動產(chǎn)生南極大氣慣性重力波”的解釋。鄒捍認為,相對于南極上空慣性重力波的振幅,羅斯冰架震動對大氣的影響相當微弱,并且距離平流層上層非常遙遠,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產(chǎn)生南極大氣慣性重力波的說法從科學上講有些牽強。
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探測技術發(fā)展讓它成功引起科學家的注意
鄒捍說,在過去的大氣研究中,由于中高層大氣探測手段較弱,人們對慣性重力波這一大氣運動了解較少,無法清晰地描述和解釋其發(fā)生和發(fā)展過程及其對大氣過程的影響。近年來,隨著中高層大氣探測技術不斷發(fā)展,例如激光雷達技術的應用,人們對大氣慣性重力波的探測能力不斷增強,認識也不斷加深。這也是為什么近年來南極大氣慣性重力波引起人們注意的原因。
但鄒捍同時表示,作為一種大氣波動形式,以往對慣性重力波的研究并不熱門。一個重要原因是,在全球氣候變暖背景下,人們最關心的是接近地球表面的低層大氣,與人類活動相關的大部分大氣過程,像風霜雨雪、大氣污染等,都發(fā)生在這個層次。比如,在氣候變化研究中,最重要的指標就是地面大氣溫度。盡管慣性重力波存在于大氣的各個層次中,但在低層大氣中,慣性重力波的強度遠小于其他大氣運動形式,對人們關心的天氣、氣候和環(huán)境過程影響較小。只有在較高的大氣層次中,其他大氣運動顯得較為平穩(wěn),大氣慣性重力波才變得較為明顯和重要。
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