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所属分类:物理海洋

长久以来,航海者之间流传着对疯狗浪(或者说异常巨浪的描述,然而,直到二十多年前,这种巨浪才不再只是一种传说。1995年1月1日,在北海的Draupner石油平台上,人们才观察并记录到了这种惊人的滔天巨浪。这是对于异常巨浪最早的可靠测量之一:它的高度为25.6米,比周围的浪头高出两倍多,被称为Draupner巨浪。

 

看起来,这种异常巨浪就像是凭空出现的一样(它们通常在没有太多预警的情况下突然出现),这一开创性的发现开启了人们对大海中的异常巨浪持续多年的研究。人们提出了各种各样的理论,其中也许是最简单的一种理论认为,海浪是随机出现的,异常巨浪虽然很罕见,却是完全可以预期的。其他理论则认为,波浪在特定条件下会变得不稳定,这会导致小的波浪长成大得多的异常巨浪。

 

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在日本画家葛饰北斋的浮世绘版画作品《神奈川冲浪里》里,就出现了极为汹涌的巨浪。

 

我们想要看看能否通过在实验室中重现这种波浪,来理解异常巨浪最初是如何产生的。要在实验室中重现25米高、数百米宽的巨浪显然是痴人说梦。于是,我们只好在保持波长与水的深度比,以及波长与波浪的高度比不变的情况下,缩小实验的规格。虽然实验中制造的波浪的规模只有真实Draupner巨浪的1/35,但是实验中制造的波浪是由相同的物理过程决定的。

 

海浪能达到的高度受限于波浪何时破碎。我们首先尝试的是用传播方向相同的波浪来重现Draupner巨浪,然而,这些波浪在远不及预期高度前(换算回Draupner巨浪高度才大约2米高)就破碎了。

 

接着,我们又让两组较小的波以120度夹角交叉来重现巨浪。结果发现,这样做是有可能以完整的比例幅度重现原本的Daupner巨浪的。尽管在这种情况下仍然会发生波浪破碎,但是形成的波浪高度不会受到波浪破碎的限制。

 

1.浪之巅

 

一般来说,当波峰中的流体比波峰本身的速度快时,会使得流体超过波峰,导致波浪破碎。非交叉式的波浪会产生较大的水平速度,这可能导致卷跃波浪的破碎。当这种类型的破碎发生时,一股水就会水平地从波峰喷射出来,如下图第一行所示:

 

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图片来源:Mark McAllister

 

当波浪交叉时,大部分的水平运动会抵消,卷跃波浪的破碎不再发生。相反,波浪的破碎主要发生在向上的喷射式情况下(上图第二行)。关键的是,交叉波浪的破碎似乎并不会像卷跃波浪的破碎那样限制波浪的高度,这使得我们在交叉波浪的情况下能够以全尺度高度重现Draupner巨浪。

 

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Draupner巨波重建图 | 图片来源:Mark McAllister

 

2. 波浪的性质

 

这项发现不仅阐明了著名的Draupner巨浪可能是如何产生的,也说明了在海浪交叉的情况下,波浪破碎的性质和意义。这揭示了之前从未观察到的波浪破碎模式,与我们目前对于海洋中发生的滔天巨浪的理解差别甚大。

 

如果能够准确预测波浪破碎如何开始,那么不仅能够更好地理解潜在的异常巨浪的形成,也能够帮助我们解释它对各种其他现象的影响。波浪破碎是海洋中一种主要的能量耗散机制,它对精确的预报至为关键。波浪破碎时产生的四溅的浪花和空气夹带(困在波浪中的气泡)会影响大气的混合,以及空气与海洋之间的热流,而这反过来会影响许多地球物理过程及其精确的模型。

 

有趣的是,实验中产生的波浪与浮世绘《神奈川冲浪里》中的巨浪惊人地相似,这是日本艺术家葛饰北斋在19世纪初创作的一幅木版画。这幅版画描绘了一个巨大的波浪高耸于渔船之上。尽管这种相似是完全偶然的,但研究表明,画作中描绘的波浪很可能就是异常巨浪,而波浪的形状与结构预示着巨浪可能是在交叉波浪的情况下形成的。因此,两种波浪的相似或许并非完全是一种巧合。

 

撰文:Mark McAllister(牛津大学工程系讲师)

原文标题为“How scientists recreated a monster wave that looks like Hokusai's famous image”,首发于2019年1月28日的Smithsonian。原文链接:https://theconversation.com/how-scientists-recreated-a-monster-wave-that-looks-like-hokusais-famous-image-110304. 中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准

原文始发于微信公众号(原理):浪浪浪浪浪浪浪~~~~~

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