南極上空的神奇漣漪怎么產生？

幾年前，科學家在南極上空高層大氣中發現了一些神奇的漣漪，并將其確認為大氣“慣性重力波”。

事實上，慣性重力波并不罕見，經常出現在地球大氣的不同區域和高度上，維持時間很短，稍縱即逝。但科學家在南極上空（高度為50至80千米）發現的慣性重力波卻可以維持長達10小時，強度也超過地球其他地區。南極慣性重力波的這些特殊性一直困擾著大氣科學家們，不斷有人對其機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。當重力和浮力平衡時，這個物體就平穩地懸浮在液體或氣體中。比如，給氫氣球加上適當的配重，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。重力波導致的大范圍大氣垂直運動，可以使大氣水分凝結，形成高層帶狀云系，形似漣漪。

由于地球自轉，地球上任何水平運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，在北半球做水平運動的物體會向右偏轉，在南半球則向左偏轉。

在真實大氣中，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，重力波的水平往復運動將獲得與運動方向正交的慣性震蕩。這種受到地球自轉慣性作用影響的重力波，被稱為“慣性重力波”。

目前，關于南極上空這種持續慣性重力波產生的原因有三種解釋，一種解釋認為，這種波實際上源自其下方大氣層中較小的波動；另一種解釋認為可能與極地渦旋有關；還有一種解釋認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，認為南極地區的大氣環流有著自己的獨特“個性”。受南半球的地理特征和大氣驅動力影響，南極上空的大氣運動以繞極環流為主，南北向運動較弱。冬季極夜期間，南極上空的繞極環流更加強盛，風速最大區在南極大陸邊緣，可持續幾個月。南極上空這一繞極環流被稱為“南極極渦”，其高度范圍從數公里直到50公里以上，是南極地區大氣運動的主要特征，明顯區別于地球其他地區。

南極極渦如同一堵無形的墻，圍繞在南極上空，阻止南極內部的空氣與外界空氣交換，使南極上空的大氣屬性明顯區別于外部。當南極大陸上空大氣南北向運動時，穿過南極極渦邊緣產生跳動，就使得空氣氣塊離開浮力平衡位置，激發出大氣慣性重力波。

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動均可激發慣性重力波，這些慣性重力波的能量逐漸上傳，在平流層頂附近積累，形成較其他地區更強的慣性重力波，使其維持時間遠遠超過地球其他地區。

而關于第三種解釋。該專家認為，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微弱，并且距離平流層上層非常遙遠，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生南極大氣慣性重力波的說法從科學上講有些牽強。（編輯/任偉）