天空中的「漩渦雲」是怎麼產生的?

天空中的雲泛起了漩渦，仿佛停在空中的海浪：

這張照片由飛行員肖恩麥考利（Shawn McCauley）在美國密蘇裡上空拍攝。這種雲其實清晰地體現了一種在自然界十分常見的流體現象：開爾文-亥姆霍茲不穩定性（Kelvin–Helmholtz instability）。

兩層以不同速度流動的流體，在它們的交界面上會出現這種不穩定性的現象。兩層流體可以是向不同方向流動，也可以是同方向但速度不同。在這種情況下，最初微小的擾動會被逐漸放大，最終交界面完全失去穩定性。

之前在推送中介紹過用不同密度液體進行的開爾文-亥姆霍茲不穩定性演示。在一個長長的容器中分別小心地注入兩層液體，上層是普通的清水，下層是密度更大的鹽水（圖中它們分別用色素染成了粉色和藍色）。兩層液體不會立刻混合在一起，而是分成清晰的兩層：

接下來，將密封好的長容器傾斜一定角度，密度較大的鹽水向下流動，較輕的水向上流動。在它們的交界面上，原本平穩的交界面上形成了越來越大的波動，進而出現漩渦，最後變成了一片混亂的湍流。

放慢來看看：

簡單解釋的話，首先在不同速度的液體交界面上會有一些較小的擾動出現，然後在遇到「障礙」的地方，流體流動得更快一些：

根據伯努利定律，流動更快的地方壓強更小，壓強的變化推動液面上的凹凸變得更大，然後又被兩側不同流速的流體推動，產生「漩渦」：

開爾文-亥姆霍茲不穩定性的現象在自然界真的非常常見，除了開頭看到的雲，海洋、土星的雲帶、木星的大紅斑、太陽的日冕等一系列地方也都有這種現象出現。有人還認為，梵谷在《星夜》中所描繪的漩渦圖案也與開爾文-亥姆霍茲不穩定性有關。

來源：酷炫科學

編輯：蓲陽