7年前，科學(xué)家使用先進(jìn)的雷達(dá)，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(shí)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時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10小時(shí)，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(duì)其機(jī)理提出各種推測(cè)和解釋。

最近，當(dāng)年發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象的研究團(tuán)隊(duì)試圖對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行解釋，并將成果發(fā)表在《地球物理學(xué)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(shí)間和強(qiáng)度遠(yuǎn)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(cè)研究部主任鄒捍。1988年他參加過南極科學(xué)考察，對(duì)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?qǐng)?bào)記者，地球上的任何一個(gè)物體都會(huì)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(dāng)重力和浮力平衡的時(shí)候，這個(gè)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)呐渲兀梢詰腋≡诳諝庵腥我獾母叨壬?。在氫氣球的重力和浮力達(dá)到平衡后，對(duì)它施加一個(gè)外力，比如用手輕輕地將其向下拉動(dòng)一下，它就會(huì)在空氣中上下跳動(dòng)。

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(dòng)，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(dòng)，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(dǎo)致的大范圍大氣垂直運(yùn)動(dòng)，可以使大氣水分凝結(jié)，形成高層帶狀云系，形似漣漪，非常壯觀。

由于地球自轉(zhuǎn)，地球上任何水平運(yùn)動(dòng)的物體都會(huì)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(dòng)的物體會(huì)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(dòng)將獲得與運(yùn)動(dòng)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”。

但鄒捍說，從慣性重力波運(yùn)動(dòng)本質(zhì)看，它是空氣質(zhì)點(diǎn)在地球重力和浮力作用下的震蕩，是經(jīng)典力學(xué)中的波動(dòng)現(xiàn)象。它與引力場(chǎng)在太空中傳播形成的引力波無關(guān)，更與不同引力波相干涉產(chǎn)生的“漣漪”風(fēng)馬牛不相及。

南極慣性重力波為何與眾不同

一個(gè)值得關(guān)注的現(xiàn)象是，南極慣性重力波的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間大于地球其他地區(qū)。

對(duì)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(rèn)為，這種波實(shí)際上源自其下方大氣層中較小的波動(dòng);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)為是由海浪造成的南極羅斯冰架振動(dòng)造成的。

鄒捍比較認(rèn)同前兩種解釋。

南極地區(qū)的大氣環(huán)流有著自己的獨(dú)特“個(gè)性”。受南半球的地理特征和大氣驅(qū)動(dòng)力影響，南極上空的大氣運(yùn)動(dòng)以繞極環(huán)流為主，南北向運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)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(dāng)南極大陸上空大氣南北向運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過南極極渦邊緣產(chǎn)生跳動(dòng)，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(duì)流層中上層一直到整個(gè)平流層。在南極上空，所有穿過南極極渦邊緣的大氣運(yùn)動(dòng)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(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地球其他地區(qū)。

關(guān)于“由海浪造成的南極羅斯冰架振動(dòng)產(chǎn)生南極大氣慣性重力波”的解釋。鄒捍認(rèn)為，相對(duì)于南極上空慣性重力波的振幅，羅斯冰架震動(dòng)對(duì)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(dòng)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)。

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探測(cè)技術(shù)發(fā)展讓它成功引起科學(xué)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(cè)手段較弱，人們對(duì)慣性重力波這一大氣運(yùn)動(dòng)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(duì)大氣過程的影響。近年來，隨著中高層大氣探測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，例如激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，人們對(duì)大氣慣性重力波的探測(cè)能力不斷增強(qiáng)，認(rèn)識(shí)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(shí)表示，作為一種大氣波動(dòng)形式，以往對(duì)慣性重力波的研究并不熱門。一個(gè)重要原因是，在全球氣候變暖背景下，人們最關(guān)心的是接近地球表面的低層大氣，與人類活動(dòng)相關(guān)的大部分大氣過程，像風(fēng)霜雨雪、大氣污染等，都發(fā)生在這個(gè)層次。比如，在氣候變化研究中，最重要的指標(biāo)就是地面大氣溫度。盡管慣性重力波存在于大氣的各個(gè)層次中，但在低層大氣中，慣性重力波的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其他大氣運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)人們關(guān)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(yùn)動(dòng)顯得較為平穩(wěn)，大氣慣性重力波才變得較為明顯和重要。