南极洲上空“奇怪的东西”:惯性重力波

文章作者:bianji3 | 2018-07-30
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  七年前,一组研究人员在南极洲上空发现了一些奇怪的东西。那是,巨大而神秘的涟漪在地球大气层中传播。这些所谓的“惯性重力波”是由地球引力和旋转力形成的空气的振荡。

  导致惯性重力波在南极大气层中间层(高度为50至80千米)持续出现(每次可长达10小时)的原因多年以来一直是个谜。

  据报道,“惯性重力波”(inertia-gravity wave)——由地球重力和科里奥利力共同作用而产生的大气振荡。

  惯性重力波并不罕见,经常出现在地球大气的不同区域,但通常会在几小时内消失。不过,南极上空的惯性重力波却令人惊奇地持久,从数年前第一次发现至今,研究人员的每一次观测都可以发现这些涟漪。

  然而,导致惯性重力波在南极大气层中间层(高度为50至80千米)持续出现(每次可长达10小时)的原因多年以来一直是个谜。现在,当年发现该现象的研究团队提出了两个可能的解释,并以两篇论文的形式发表在7月25日的《地球物理学研究:大气》(Journal of Geophysical Research: Atmospheres)期刊上。

  他们表示,一种可能是,这些巨大而持久的波动——在中间层跨越长达3000千米——实际上源自其下方大气层(即距离地球表面8到50千米的平流层)中较小的波动。

  根据这一理论,南极山地向下流动的风为这些低层重力波提供了补充。反过来,这些波逐渐成长并向上移动。一旦它们到达平流层与中间层的交界处,就会像沙滩上的海浪一样破裂,产生更大的波动。

  需要说明的是,重力波与引力波并无联系,后者是爱因斯坦相对论预言的时空涟漪,与大气层中的空气运动无关。

  研究者称,另一种可能与极地涡旋有关。极地涡旋是一种只发生于地球极地的持续性大规模气旋,在极夜时期最为强大。在南极冬季,这一顺时针旋转的低压区域占据了大部分天空。研究第一作者、美国科罗拉多大学博尔德分校航空航天工程科学系和环境联合研究中心教授初鑫钊称,高速旋转的风在向上移动时可能会改变低层重力波,或者自己产生这些波。

  他们的研究结合了建模和激光雷达观测。激光雷达可以确定大气层不同区域的温度和密度,揭示这些重力波引起的扰动。研究人员还计算了重力波所携带的能量和动量。

  初鑫钊教授指出,重力波会影响全球大气环流,进而影响大气层温度和化学物质的流动。但是,大多数气候模型并没有将这些重力波携带的能量合理地考虑在内。例如,南极上空平流层和中间层之间大气边界的模拟温度要低于观测显示的温度。这一区域称为“平流层顶”(stratopause),对于理解人类活动如何影响臭氧层十分重要。如果没有准确的温度模拟,你就“无法很好地预测臭氧趋势”。

  “我们认为对这些重力波,尤其是次级波产生的理解,可能有助于模型的改进,”初鑫钊教授说道。不过,这些都还只是理论,也有其他研究者提出了自己的解释。2016年发表于《地球物理学研究:空间物理》(Journal of Geophysical Research: Space Physics)期刊的一篇论文提出,由海浪造成的南极罗斯冰架振动或许能解释神秘的大气涟漪。初鑫钊教授称,她也无法排除这一可能性。

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