近日瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和美國邁阿密大學(xué)的研究人員表示，地球上某些巨大的海洋渦流從數(shù)學(xué)角度看相當(dāng)于太空的神秘黑洞。墨西哥灣流使得北歐經(jīng)歷了溫和的冬天，它組成了遍布全球的海洋氣流的一部分，后者對(duì)氣候產(chǎn)生一定的影響。然而，我們的氣候也受到沿著海洋旋轉(zhuǎn)和漂移、直徑超過150千米的巨大渦流的影響。在南冰洋這些巨大渦流的數(shù)量不斷上升，增加了溫暖咸水往北部的運(yùn)輸量。有趣的是，這或可能會(huì)緩和溫暖氣候里融化海冰產(chǎn)生的負(fù)面影響。
然而，到目前為止，科學(xué)家仍無法量化這種影響，因?yàn)檫@些旋轉(zhuǎn)水體之間精確的邊界仍無法檢測。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院非線性動(dòng)力學(xué)教授喬治哈勒（George Haller）和邁阿密大學(xué)海洋學(xué)教授弗朗西斯科寶龍-維拉（Francisco Beron-Vera）就這個(gè)問題提出了一個(gè)解決辦法。發(fā)表在《流體力學(xué)》期刊上的一篇文章里，他們研發(fā)了一種新型數(shù)學(xué)工具，以尋找具有清晰連貫邊界的水傳輸渦流。
尋找這樣的渦流的最大挑戰(zhàn)在于在湍流的海洋里確定清晰連貫的水島嶼。對(duì)于在渦流內(nèi)部和外部的觀察者來說，旋轉(zhuǎn)和漂移的流體運(yùn)動(dòng)似乎太過混亂。哈勒和寶龍-維拉通過從一系列衛(wèi)星觀測里隔離出連貫的水島嶼，從而在這種混亂中恢復(fù)了秩序。讓他們驚訝的是，這種連貫渦流從數(shù)學(xué)角度上看非常類似黑洞。
無法逃離渦流
黑洞是非常大的天體，它吸引了附近一定范圍的一切物體。任何靠近黑洞的物體都無法逃脫，即使是光。然而，當(dāng)位于一定的距離以外，光束不再旋轉(zhuǎn)進(jìn)入黑洞，而是被極大的彎曲并折回最初的位置，形成圓軌道。在愛因斯坦的相對(duì)論里，這種封閉的光軌道形成的障礙表面被稱為光子層。
哈勒和寶龍-維拉在選擇的海洋渦流里發(fā)現(xiàn)了相似的封閉障礙。在這些障礙里，流體粒子以封閉環(huán)的形式移動(dòng)類似于光子層里光的路徑。正如黑洞里的情況一樣，任何物質(zhì)都無法逃離這些封閉環(huán)，即使是水。
正是這些障礙幫助科學(xué)家確定了大量觀察數(shù)據(jù)里的連貫海洋渦流。巨哈勒表示，這種連貫水體軌道的確存在于復(fù)雜海流里的事實(shí)讓他們大吃一驚。
渦流作為水的趨向性
由于黑洞類型的海洋渦流非常穩(wěn)定，它們的功能相當(dāng)于交通工具不僅對(duì)于例如浮游生物等微生物或者類似塑料廢物或者油等異物，也針對(duì)于與周圍水體不同的溫暖咸水體。哈勒和寶龍-維拉已經(jīng)證實(shí)了對(duì)厄加勒斯環(huán)的觀測，后者是一組規(guī)律性出現(xiàn)在非洲南段南冰洋的海洋渦流，它們會(huì)傳輸溫暖咸水至西北部。研究人員確定了7個(gè)黑洞類型的厄加勒斯環(huán)，它們能夠毫無泄漏的傳輸相同水體長達(dá)一整年。
哈勒指出相似的連貫渦流也存在海洋以外的其他復(fù)雜流體里。從這個(gè)角度上看，很多旋風(fēng)可能也類似于黑洞。即使是木星表面的大紅斑一種靜態(tài)風(fēng)暴可能也是黑洞類型渦流最壯觀的例子。數(shù)學(xué)家一直都試圖理解渦流里這種奇特的連貫旋渦。哈勒解釋道。
酷似黑洞
值得注意的是，第一個(gè)將海洋渦流描述為連貫水島嶼的人可能是美國作家埃德加愛倫坡(Edgar Allan Poe ）。在他的小說《莫斯可漩渦沉溺記》里，他想象了在一個(gè)大漩渦附近一條穩(wěn)定的泡沫帶。這正是哈勒和寶龍-維拉的靈感來源，他們隨后利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式試圖尋找這些穩(wěn)定帶也就是海洋版的光子層。他們的結(jié)果將幫助解決一系列海洋謎題，包括從與氣候相關(guān)問題到環(huán)境污染模式的傳播。
墨西哥灣的渦流
在哈勒和寶龍-維拉發(fā)表這篇研究之后，邁阿密大學(xué)的海洋學(xué)教授約瑟菲娜奧拉思科加（Josefina Olascoaga）測試了他們的新數(shù)學(xué)方法。她意外的在墨西哥灣發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的黑洞類型的渦流。奧拉思科加現(xiàn)正利用她的發(fā)現(xiàn)評(píng)估未來可能的石油泄漏的污染傳播方式。
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