行星大氣重力波簡介

2021-01-20 StarKing的個人小屋
波現象在大氣和海洋中隨處可見.日常生活中大家經常可以觀測到水波沿著水面傳播,然後在岸上消失. 波可以認為由物質的許多相鄰包裹體圍繞平衡態發生振蕩的一種集體現象. 在密度連續變化的流體(包括水和大氣)中,這些振蕩的包裹體在每一周期內不斷地推動這些流體作上下運動,故波可以垂直傳播,也可以沿著密度恆定的流體表面水平運動. 因此波可以分為表面波內波. 只能水平傳播的波為表面波,而即可以水平傳播也可以垂直傳播的波為內波.

下面先以生活中常見的水波為例,然後再講述大氣重力波.

表面水波

表面水波是地球上研究最多和最廣為人知的波.若表面波的恢復力是重力,則這些波成為表面重力波. 若恢復力為表面張力,則這些波稱為毛細波(通常為短波). 若表面張力和重力共同作為恢復力,則這些波稱為毛細重力波(Capillary-gravity Waves).

由風產生的表面重力波

如上圖,生活中經常可見到,當風吹過水麵時會產生漣漪.在風接觸水面中心的局部區域,當風打破平靜水面時,水要恢復平靜時的平衡狀態,這時恢復力為表面張力,則會產生毛細波(Capillary Waves). 中心局部區域附近會產生漣波(Ripples),即漣漪. 緊接著產生碎浪(Chop).再往遠處產生風波(Wind Waves)、最大浪高(Fully Developed Seas)、湧浪(Swells). 這些波的恢復力為重力,故這些波為重力波.

毛細波的波長大概為1.74cm,重力波的波長大概為10m.

波的基本參數含義如上圖. 其中:

波長(Wavelength): 相鄰兩個波峰/波谷之間的水平距離;波高(Wave Height): 波谷到波峰的垂直距離;波陡度(Wave Steepness): 波高與波長之比;波的振幅(Wave Amplitude): 波谷到波的水平中心的垂直距離;波的周期(Wave Period): 一個全波長通過某固定點的時間.

下圖為海岸邊海浪的示意圖. 沙灘上經常可以見到該現象. 在波接近海岸時,會產生卷碎波(Plunging breaker)、湧浪(Wave surge).

海岸邊的海浪水的內波

海洋中水的密度在垂直方向上不是恆定的. 密度不均勻性主要是由溫度和鹽度含量變化所引起的. 上層水受到的太陽輻射加熱、河流的流動、冰層融化降低了近地表水的密度. 隨著時間推移,這些效果疊加起來會導致水會形成一個穩定的密度分層:上面的密度較輕,下面的密度較大. 分層的海水除了會在水面上形成表面波外,還會形成內波,即在水的內部傳播的重力波.

表面水波(Surface Waves)和內波(Internal Waves)示意圖

由於水的內波在水面下傳播,故我們站在地面上無法直接看到. 但內波的運動會留下非常明顯的痕跡,這樣我們可以利用衛星進行跟蹤拍攝.

中國南海區域的水內波(NASA太空梭拍攝於1983年6月)

上圖中傾斜的條帶為在水面下傳播的重力內波.

行星大氣波現象

大氣作為一種流體,也會發生波動現象.

地球大氣波現象

下圖為大氣波形成的原理圖.

大氣波的示意圖

風速的方向為從左到右. 冷空氣上升後會凝結變冷,故波峰處的溫度很低(圖中波條藍色部分). 由於從波峰處沉降的空氣被壓縮且變熱,故波谷處的溫度很高(圖中波條紅色部分). 由于波的能量能將空氣團抬升,空氣團在波峰處達到飽和狀態. 故云會在波峰處形成.

衛星拍攝到的位於印度洋區域的大氣波(Atmospheric Waves)與水內波(Internal Waves)

根據恢復機制,可以將大氣波分為:

大氣重力波的分類

行星大氣重力波指的是在重力作用下產生的一種波動,其產生與垂直運動聯繫在一起. 與水波類似,大氣重力波可分為重力外波重力內波.

重力外波是指處於大氣上下邊界的空氣,受到垂直擾動後偏離平衡位置,在重力作用下產生的波動. 它發生在邊界面上,離擾動邊界越遠,波動越不顯著.也就是說重力外波只能在水平方向上傳播,而不能在垂直方向上傳播.在地球大氣中,重力外波的傳播速度大約為

重力內波是指在大氣內部,由於層結作用或在大氣內部的不連續面上,空氣微團受到垂直擾動後偏離平衡位置,在重力作用下產生的波動.重力內波的傳播速度大約在

大氣重力波的周期與其水平波長和垂直波長有關. 波周期的範圍大約從幾分鐘到幾小時,但一般小於行星自轉周期. 水平波長尺度一般遠小於行星半徑,其範圍從幾十千米到幾百千米.

大氣重力波的起源機制

地球中性大氣層根據大氣溫度輪廓可分為對流層(Troposphere)、平流層(Stratosphere)、同溫層(Mesosphere)、熱層(Thermosphere). 其中對流層為低層大氣,平流層和同溫層為中層大氣、熱層及以上為高層大氣.大氣重力內波可由這些層中的很多過程作用所產生,但主要還是起源於低層大氣. 在對流層中,重力內波的起源因素包括海嘯、颶風、地震、火山爆發、地形山脈.而最主要的起源因素為對流層中的天氣. 因大氣對流、冷鋒、氣旋活動及風的不穩定性都能造成空氣微團垂直移動.

大氣重力波主要起源於低層大氣,且可傳播到高層大氣

下圖展示的是當背景風吹拂山脈時,大氣重力波的產生原理:

地形山脈也是大氣重力波的一個起源因素上升的空氣團開始冷卻,導致空氣團的密度增大,使得空氣團上升的速度變慢,最終開始下沉;隨著空氣團開始沉降,重力加速其下沉速度,其溫度開始升高;空氣團下降時溫度升高,使得其密度低於周圍空氣,於是再次上升;空氣團反覆上升下降,然後隨著背景風的運動慢慢消失.大氣重力波對高層大氣的影響

大氣重力波可以攜帶能量和動量. 波的能量和波振幅的平方與背景大氣密度的乘積成正比. 當重力波往上傳播時,其振幅呈指數般增長,以彌補大氣密度的急劇下降.這個過程改變了中高層大氣的運動,故會導致中高層大氣的速度和溫度的大尺度擾動.

當空氣團往上移動到低密度區域時,根據熱力學第一定律,其溫度開始下降.空氣團開始向下移動,向下移動時帶走背景大氣的熱能. 在重力波的傳播過程中,空氣團的壓縮和膨脹效應相互抵消,從而不會產生淨損失和淨輸入的熱能. 當重力波開始隨著高度衰減時,壓縮和膨脹效應不再抵消,故會產生方向向下的感熱通量(the sensible flux). 因此,重力波與分子間的熱傳導的共同作用影響著高層大氣熱結構的穩定性.

其他天體的大氣重力波現象

大氣重力波不僅出現在地球上,還會出現在金星、火星、木星、土衛六等這些具有大氣的天體中. 在金星、火星和木星上,我們可以觀測到重力波雲的結構.高層處的重力波可形成水冰雲,低層處的重力波可形成CO

金星雲層中的重力波結構在火星局部沙塵暴區域內,由重力波形成的水冰雲木星雲層中的重力波結構

與地球類似,當背景風吹拂金星、火星表面上的地形山脈時,其也能產生大氣重力波.

金星表面地形結構引起的大氣重力波火星表面地形結構引起的大氣重力波

對於土衛六,即土星的第六顆衛星(也為土星最大的一顆衛星),其有著複雜的地形和濃厚的大氣.

土衛六表面,表面覆蓋著液態甲烷海洋以及山脈

卡西尼-惠更斯號土星探測器的目標是探測土星及衛星.為了更好地探測土衛六大氣,探測器搭載的惠更斯號直接降落在土衛六的表面上.

惠更斯號降落在土衛六上的示意圖

探測發現,土衛六高層大氣的大氣分子密度和溫度輪廓有波擾,這種波擾其實是由起源於低層大氣的重力波造成的.

土衛六溫度輪廓在高層處有波動現象

至於土衛六表面的地形是否也能產生大氣重力波,還需等待未來發射更多的探測器對其進行詳細研究.

參考資料

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