天空中的“漩涡云”是怎么产生的?

作者: 窗敲雨

来源: 酷炫科学

发布日期: 2018-11-17 12:21:14

本文介绍了天空中的“漩涡云”现象,解释了其背后的物理原理——开尔文-亥姆霍兹不稳定性。文章通过描述流体实验和自然现象,说明了这种不稳定性在不同流体交界面的表现及其在自然界中的广泛存在。

天空中的云泛起了漩涡,仿佛停在空中的海浪。这张照片由飞行员肖恩麦考利(Shawn McCauley)在美国密苏里上空拍摄。这种云其实清晰地体现了一种在自然界十分常见的流体现象:开尔文-亥姆霍兹不稳定性(Kelvin–Helmholtz instability)。两层以不同速度流动的流体,在它们的交界面上会出现这种不稳定性的现象。两层流体可以是向不同方向流动,也可以是同方向但速度不同。

在这种情况下,最初微小的扰动会被逐渐放大,最终交界面完全失去稳定性。之前在推送中介绍过用不同密度液体进行的开尔文-亥姆霍兹不稳定性演示。在一个长长的容器中分别小心地注入两层液体,上层是普通的清水,下层是密度更大的盐水。两层液体不会立刻混合在一起,而是分成清晰的两层。接下来,将密封好的长容器倾斜一定角度,密度较大的盐水向下流动,较轻的水向上流动。

在它们的交界面上,原本平稳的交界面上形成了越来越大的波动,进而出现漩涡,最后变成了一片混乱的湍流。简单解释的话,首先在不同速度的液体交界面上会有一些较小的扰动出现,然后在遇到“障碍”的地方,流体流动得更快一些。根据伯努利定律,流动更快的地方压强更小,压强的变化推动液面上的凹凸变得更大,然后又被两侧不同流速的流体推动,产生“漩涡”。

开尔文-亥姆霍兹不稳定性的现象在自然界真的非常常见,除了开头看到的云,海洋、土星的云带、木星的大红斑、太阳的日冕等一系列地方也都有这种现象出现。有人还认为,梵高在《星夜》中所描绘的漩涡图案也与开尔文-亥姆霍兹不稳定性有关。

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