南極上空的神奇漣漪怎么產(chǎn)生？

幾年前，科學(xué)家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(rèn)為大氣“慣性重力波”。

事實(shí)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(xué)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長達(dá)10小時，強(qiáng)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(xué)家們，不斷有人對其機(jī)理提出各種推測和解釋。

到底什么是慣性重力波

我們知道，地球上任何一個物體都會受到向下的地球引力，即重力的影響；而漂浮在液體或氣體中的物體都受到向上的浮力。當(dāng)重力和浮力平衡時，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(dāng)?shù)呐渲?，它可以懸浮在空氣中任意的高度上。在氫氣球的重力和浮力達(dá)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(shí)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。這種上下震蕩被稱為重力波。重力波導(dǎo)致的大范圍大氣垂直運(yùn)動，可以使大氣水分凝結(jié)，形成高層帶狀云系，形似漣漪。

由于地球自轉(zhuǎn)，地球上任何水平運(yùn)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(yùn)動的物體會向右偏轉(zhuǎn)，在南半球則向左偏轉(zhuǎn)。

在真實(shí)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(fù)運(yùn)動將獲得與運(yùn)動方向正交的慣性震蕩。這種受到地球自轉(zhuǎn)慣性作用影響的重力波，被稱為“慣性重力波”。

目前，關(guān)于南極上空這種持續(xù)慣性重力波產(chǎn)生的原因有三種解釋，一種解釋認(rèn)為，這種波實(shí)際上源自其下方大氣層中較小的波動；另一種解釋認(rèn)為可能與極地渦旋有關(guān)；還有一種解釋認(rèn)為由海浪造成的南極羅斯冰架振動造成的。

有專家表示，更支持前兩種解釋，認(rèn)為南極地區(qū)的大氣環(huán)流有著自己的獨(dú)特“個性”。受南半球的地理特征和大氣驅(qū)動力影響，南極上空的大氣運(yùn)動以繞極環(huán)流為主，南北向運(yùn)動較弱。冬季極夜期間，南極上空的繞極環(huán)流更加強(qiáng)盛，風(fēng)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(yùn)動的主要特征，明顯區(qū)別于地球其他地區(qū)。

南極極渦如同一堵無形的墻，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(dāng)南極大陸上空大氣南北向運(yùn)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(yùn)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(qiáng)的慣性重力波，使其維持時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地球其他地區(qū)。

而關(guān)于第三種解釋。該專家認(rèn)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(dāng)微弱，并且距離平流層上層非常遙遠(yuǎn)，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(xué)上講有些牽強(qiáng)。（編輯/任偉）