再次验证200多年前的理论
再次验证200多年前的理论Original Måka
原理 2022-02-11 20:30
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大约一个月前，汤加的洪阿汤加-洪阿哈阿帕伊火山喷发达到了一个爆发性的高潮（详见《一千年一次》）。它在海洋中快速释放的能量带来了海啸，与此同时，它也带来了大气中的气象海啸，也就是一种气压的扰动，形成的气压波迅速蔓延到了全球各地。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_gif/tqOuxs8dsHOun762TJnJZwZicC6tI5Va3MbmibTh6miatqgjCCk6S7xSicOjadnhMoerE3ZVUzLicPtGDSJMAXJTMag/640?wx_fmt=gif图片来源：NASA Earth Observatory
火山喷发附近的大气波模式相当复杂，但在数千千米之外，气压波作为一个孤立的波前，会以每小时约1000千米的速度水平向外扩散。
NASA戈达德太空飞行中心的首席科学家詹姆斯·加文（James Garvin）在采访时介绍，据估计，这次爆炸的威力差不多相当于4-18兆吨TNT。从卫星上借助红外传感器观测，大气中出现的波纹看起来就像是在池塘里投下一块石头产生的涟漪。爆炸产生的声波冲击波足以扰动电离层，也就是地球表面之上约80千米以上的大气外层。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_gif/tqOuxs8dsHPzHQakpb9jKBI7LBHJuIt56pLZwweZmUNuVwLXLAW4bics8yVJP2vWsddvtibzDfSiabJQbyJYIuN7w/640?wx_fmt=gif图片来源：Mathew Barlow/University of Massachusetts Lowell
当波的脉冲经过北美、印度、欧洲和全球其他许多地方时，它表现为一种对大气压强持续数分钟的扰动。人们时时关注着波前的动向，大气波在约35个小时的时间里传播到了整个地球并折返。
汤加火山喷发产生的波前扩张是大气波全球传播现象的一个格外壮观的例子，在其他历史性的爆炸事件之后也曾出现过类似这种现象。这次喷发格外强大，它让大气层像铃铛一样“响”了起来（尽管频率太低，我们无法真的听到）。事实上，这也是对200多年前提出的一种波理论的再次验证。
特殊的大气波理论
早在200多年前，法国数学家、物理学家和天文学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）就预测了一种全球大气的行为。
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拉普拉斯在主导全球尺度大气运动的物理方程的基础上建立起了他的理论。他预测，在大气中应该存在一类运动，它们能够迅速传播，但始终紧紧“拥抱”着地球表面。
具体来说，拉普拉斯发现，相对于垂直方向的空气运动，引力和大气浮力有利于水平方向的空气运动，一种随之而来的效应是，大气波可以沿着地球的曲率运动。
在19世纪的大部分时间里，这仍然是一种略显抽象的想法。但是，1883年喀拉喀托火山喷发后的压力数据以一种戏剧性的方式表明，拉普拉斯是对的。这些沿着地球曲率的运动可以被激发，并在巨大的距离上传播。
1883年的喀拉喀托火山
第一次引起科学关注的这类气压波是由1883年印度尼西亚的喀拉喀托火山喷发事件产生的。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHPzHQakpb9jKBI7LBHJuIt5VO2CzRsnnhvTmLYzH9RDJCPt32Z7stLYM3HsByZvnruzIUPHHvUqzA/640?wx_fmt=jpeg1883年喀拉喀托火山喷发。| 图片来源：Wikimedia Commons
喀拉喀托火山的波脉冲可以在全世界各地的气压观测记录中被找到。当然，在那个时代，通信速度要慢得多，但在几年的时间里，科学家已经能将各种独立的观测结果结合在一起，并在世界地图上绘制出爆发后数小时和数天内压力锋的传播情况。
波前从喀拉喀托火山向外传播，并被观察到至少进行了三次“全球旅行”。伦敦皇家学会在1888年的一份关于火山喷发的著名报告中发表了一系列地图，说明了波前的传播情况。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_gif/tqOuxs8dsHPzHQakpb9jKBI7LBHJuIt536VptxECCYA9B8jsm1cRk9yrCUIa5kpBgjLib3iaGEGxq80TCQI9B1qQ/640?wx_fmt=gif从1888年的报告中绘制的地图，揭示了1883年喀拉喀托火山爆发的气压波每两小时的位置变化。| 图片来源：Kevin Hamilton, based on Royal Society of London images,CC BY-ND
喀拉喀托火山喷发后产生的波是极低频的声波。在传播过程中，局部压强的变化对邻近的空气产生了一种作用力，空气随后会加速，造成膨胀或压缩，并伴随着压强变化，这反过来又让空气沿着波的路径更远。
从我们对高频率声波的认识中，我们会期待它以直线传播。但是这些全球压强脉冲却有一个显著的特点，它们在传播过程中会随着地球的曲率而弯曲。它正是拉普拉斯理论中的一种表现形式。
大气像钟声一样响起
这次汤加火山的爆发同样展现了这一点。这些喷发事件让大气像钟声一样“响”了起来，也就是以某些频率振动。
除了这些极端事件之外，直到近年来，科学家才发现，类似的现象还存在于大气的背景振荡中。
这些全球大气振荡的频率非常低，但它们被大气中其他所有运动不断激发，为更剧烈的天气波动提供了一种非常温和而持续的“背景音乐”。
#创作团队：
编译：Måka排版：雯雯
#参考来源：
https://theconversation.com/tonga-eruption-was-so-intense-it-caused-the-atmosphere-to-ring-like-a-bell-175311https://www.jpl.nasa.gov/news/tonga-eruption-sent-ripples-through-earths-ionospherehttps://oceanservice.noaa.gov/facts/meteotsunami.html#图片来源：
封面图：Alen/Stockvault首图：Mathew Barlow/University of Massachusetts Lowell
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