内波与死水，连潜艇都怕的海浪

七君

海洋中内波的产生

这种可怕的现象，就是在岸上和水面上的人很难觉察的内波（intemal wave）。内波就是水下的一种重力波，内波产生的必要条件是分层的液体，当不同液层的界面被扰动时就会产生内波。我们用油和水就可以模拟内波，你可以看到，当油和水的界面上有波浪涌动时，这种波浪在油面上几乎不会引起什么变化。

在海洋中，更热、盐度更低的海水位于上层，上下层之间的密度差使海水分层，为内波创造了初始条件，当潮流遇到海底高山等阻碍时内波就会涌现。实际上世界各地的大陆架附近经常会出现内波。

在水（蓝色）和油（透明）的交界处形成了内波

和水面的波浪不同，内波可以传播数千米，并且可以持续数小时。内波的幅度，也就是最高处和最低处常常超过50米，这也让内波变得极为危险。根据斯克里普斯海洋研究所（ SIO）的海洋和大气研究部的部长Matthew Alford和同事在2014年发表的研究，在10分钟内，海洋表层10米厚的海水就能打出一个近40米的浪头，只不过这个浪头是向下的而不是向上的。这样迅疾的内波对于浮潜的人来说相当致命。据Alford介绍，他曾经作为专家被邀请为一场诉讼提供专业建议;在这个案件里，一名大溪地潜水员被内波刮到了深海。

欧洲遥感卫星拍摄到的直布罗陀海峡海洋表面，海面的波纹提示下方有内波

畏惧内波的不仅有潜水员，还有各国的潜艇。旱在1966年，美国海军的一项研究就指出，内波可以让潜艇的控制变得困难，甚至可能导致潜艇沉没。一战时，潜艇通常会避免在连接地中海和大西洋的直布罗陀海峡处作业，就是因为他们知道那里有臭名昭著的内波。

全球容易出现内波的地方

在30多年前，真的有潜艇在直布罗陀海峡出事了。1984年9月21日，苏联的潜艇悄悄地潜伏在苏联的一艘商船下通过直布罗陀海峡，但在快要离开的时候却一下子撞在了商船上。这次相撞导致商船损坏严重，潜艇的头也破了，最终不得不浮出水面曝光。

内波在海面形成的图案

直布罗陀海峡的邪性和那里独特的自然条件脱不了关系。根据欧洲航天局（ ESA）介绍，直布罗陀海峡的海水大致分为两层：下层是更咸的地中海海水，上层是盐度稍低的大西洋海水。再加上百布罗陀海峡海底地貌复杂，那里有大量内波出没就不奇怪了。

刚才说过，世界各地的大陆架附近都有内波，而拥有最为惊悚的内波的海域除了直布罗陀海峡，还有我国的南海、印尼的龙目海峡、安达曼海的小安达曼岛和卡尔尼科巴岛、意大利半岛和西西里岛之间的墨西拿海峡。

我国南海东沙群岛附近的内波可能是世界上最强力的，幅度可达300米。今年Alford在接受美国全国公共广播电台（ NPR）采访时表示，美国、俄罗斯和中国都花了大笔经费研究南海的内波，因为这里的内波可能对这些国家的军事行动有很大影响。

内波易引发“死水”现象

看完了上面对内波的描述，你可能会认为，只要不潜水、不搭乘潜艇就没事儿了吧，实际上，在海面也有被内波欺负的可能。内波会造成一种名为死水的罕见现象。有些海面看起来風平浪静、人畜无害，但在海面航行的船只却无法前行，这就是遇到了“死水”。

这是因为船只航行在与船水位线差不多深的淡水上，淡水下方则是盐度更高的海水，两者没有充分混合。这种情况下船的动能会被转化为内波，造成船只无法移动。峡湾附近经常会出现这种现象，因为冰川融化的淡水和峡湾的海水没有完全混合，因此淡水能轻轻地浮在上层。

“死水”现象一开始被当作水手间的奇谈，但是后来自为著名挪威探险家弗里乔夫·南森（ FridtjotNansen）的经历而得到科学研宄。1893年，南森在业洲最北的半岛——泰梅尔半岛附近探险时遭遇了“死水”。他将自己的经历告诉了物理学家威廉·皮耶克尼斯（ Vilhelm Bjerknes）。皮耶克尼斯和他的学生、后来被誉为现代物理海洋学第一人的沃恩·华费特·埃克曼（Vagn Walfrid Ekman）发现，船在分层的液体上前进时会产生内波，而内波会阻碍船只前行，导致“死水”现象出现。

在海洋中，内波简直防不胜防。麻省理工学院的海洋学家Thomas Peacock表示，内波就是海洋中沉睡的巨人，它们在全世界的海洋里滚来滚去，但是人类却很少看到它们。虽然内波之上常常风平浪静，但某些情况下大家可以在海边观察到内波。海面上间距较大的一行行涟漪就是下方内波的表征。

比如，索马里海岸的业丁湾就常有内波留下的壮美“皱纹”。业丁湾的海底地貌相当雄伟，有非常陡峭的大陆架外缘，因此常常会发生壮观的内波。当然了，这种情况下下海是极其危险的。

云在经过内波时被卷出的“花纹”

内波虽然破坏力巨大，但也是全球生态和气候中的重要一环。内波能将藻类和浮游动植物进行重新分布，为海岸生态系统带来营养，也能让海水混合，这对于地球的气候变化非常重要，因此内波的活动也可以被用于预测气候变化。

天空中也有内波

如果你很想观察内波但又没机会观海，望天也是一个办法。其实不仅海里会出现内波，天空也会出现。在大气具有冷热分层的空气时也会形成内波，大气中的内波会形成波纹，云在经过内波时会被卷出花纹状，这种能揭示大气层中内波的云也被称为波状云。

鱼鳞天其实就是被内波卷出的波状云

那么，波状云在地面上看是什么样的呢？我们平时在地面上看到的波状云就是被内波卷出来的，这种天空也被叫作鱼鳞天。一般来说看到这样的天空，天气就很可能会发生变化。

（本文经授权转载自“把科学带回家”公众号，有删节）