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从海面之下,看到海浪的“肋骨”

从海面之下,看到海浪的“肋骨”

科学

海浪的“肋骨涡旋”
撰文 | 乔安娜·汤普森(Joanna Thompson)
翻译 | 曾欣欣

想象一下完美的海浪:它们像一堵“水墙”奔向海岸,一边翻滚一边旋转,直到海浪破碎。赶上这样的海浪是任何一位冲浪者的梦想,而浪花滚滚背后的物理原理就如这场冲浪一样令人大为惊叹。


当一股海浪螺旋上升或下沉时,旋转的水流会形成一个内部中空的涡旋。如果你能够从海面之下一窥海浪的模样,那么你可能会看到这个主涡旋周围有多个小涡旋——它们形似肋骨而被称作“肋骨涡旋”(rib
vortices)
。直到最近,科学家才开始研究这些美丽且精巧的次级涡旋形成的原因和方式。


克里斯蒂娜·贝克(Christine Baker)是美国华盛顿大学的一位流体力学研究员。贝克认为:“基本上是主涡旋发生了分离。”当海浪开始破碎,海浪前缘会卷入空气而形成微小气泡,进而导致主涡旋分离出几股小水流。这些小水流获得了动量,并通过旋转成为“肋骨涡旋”。


华盛顿大学海洋学家吉姆·汤姆森(Jim Thomson)表示:“我们经常拿花样滑冰运动员做类比。”最初,一阵海浪的“肋骨涡旋”就是缓慢旋转的宽阔水流——就像张开双臂旋转的花滑选手一样。然后,随着波浪向前推进,这种涡旋的尺寸会变小,类似于花样滑冰运动员抱紧自己胳膊时的样子。汤姆森说:“这样它们就可以转得越来越快。”而随着这种微小涡旋回环并长大,如此快速的旋转会促使它们从主涡旋分离。


贝克采用计算与实验相结合的方法,研究了这些涡旋是如何把海岸上的垃圾与污染卷入海洋的。直到10年前,科学界才开始有更多的人关注这种形似肋骨的涡旋,部分原因在于“肋骨涡旋”难以拍摄。研究人员表示,这种短暂的涡旋需要高分辨率摄像机,以及精确的捕捉时机。而且,“我们通常不会研究或留意到那些缺乏相关实验手段的事物。”汤姆森说道。不过,现在的计算机终于有能力处理高度复杂的计算,从而模拟出这种涡旋的模型。

本文来自《环球科学》2022年8月刊前沿

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