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在实验室能再现大气和海洋的运动吗?
    时间:2010-1-7     点击率:28183

                                            作者:柳绮年

    1. 为什么要在实验室模拟大尺度的大气和海洋运动?

    人们赖以生存的地球环境是那么的辽阔,包括了数万米高的大气层、数千米深的海洋,为了更多地认识地球环境,更好地利用和保护地球的资源,几千年来人类付出了巨大的努力。但是,迄今人们对地球的认识还远远不够,譬如温室气体效应、南极冰川逐渐消失、厄尔尼诺和拉尼娜现象、海啸和风暴潮等等。它们是怎么生成的?生成的动力是什么?人类能控制它们吗……?

    人们把研究大气和海洋环流运动规律的科学,叫做地球物理流体动力学。随着科学的进步,在不断探索地球奥秘的过程中,我们除了利用超大型计算机来计算大气和海洋环流的运动状态外,还采用遥感技术、卫星云图、科学考察船等技术,获得了大量信息和资料,但无论是近地和远程的考察数据,都还是有限的,而且耗资昂贵,周期很长。20世纪50年代,英美科学家们设想,如果能在实验室里再现大气和海洋的一些运动现象,就可以模拟和研究它们运动的规律。因为大气和海洋都受科利奥里力(Coriolis force)的控制,建立一个旋转的实验台,模拟地球的自转,把所研究的对象置于转台上,按一定的相似准则控制转台的运转,可以重复再现某些大气和大洋流动的物理现象,因此在这一领域开展的研究非常必要而且也有可能。实验模拟、数值计算、实地考察组成“三架马车”,它们是相辅相成的。国际上把对地球物理流体动力学的研究简称为GFD(Geophysical Fluid Dynamics),50多年来英、美、法等国相继建立了GFD实验室。

    2实验室里怎样实现对大气和海洋的研究?

    GFD实验室的科学家们研究了大气和海洋动力学的众多问题,诸如大气环流、海洋风生环流、陆架边界流,风暴潮、内波等等。在实验室首先应用动力相似原理,在罗斯比数(Rossby Number)、弗努德数(Froude Number) 和科利奥里数(Coriolis Number)等相同条件下,在旋转平台上放置圆形或长形水槽,被大大缩小和简化的模型代替局部的地型,如:陆架、海脊、岛屿、海沟、高原等,放在水槽中;同时水槽中设置一对“源”—“汇”,使槽中的水流动起来,当旋转平台按所控制的参数旋转时,绕过陆架、海脊、岛屿、海沟或高原等地型的流动,就生成了和实地观察相似的流型。为了显示和记录下这些流型,科学家们用粒子显示和图像处理技术,即用跟随性好的示踪粒子显示流动,摄像记录下粒子运动的轨迹,再进行图像处理获得流动的图谱,然后进行动力学机理分析。

    在我国,20世纪70年代开始了这一领域的研究。例如,中科院大气物理所研究了青藏高原对我国气候影响、台风的形成等。中科院力学所开展了我国沿海陆架地形对洋流影响、海洋分层中湍流的扩散和动量传递等研究。青岛中国海洋大学、空军气象学院等也开展了这一领域的工作。例如有从赤道北上流经我国和日本岛的“黑潮”,这个“黑潮”实际是一股暖流,日本科学家研究发现,当“黑潮”贴近日本岛时,当年的稻谷就增产。沿我国海岸的“黑潮”对我们的国计民生又有怎样的影响呢?我们却知道很少。

    以下是几幅在力学所实验室研究获得的图片。图1是在力学所建立的旋转试验平台,利用它做过许多模拟实验呢!图2是一幅在旋转试验平台中模拟一个沿海海脊周围流动的图像照片。而图3则是模拟我国大陆架地形的洋流,海流是绕过大陆架地形外侧自南而北流动的(图像中示出的方向则是自下而上),没有贴近海岸。这样就可能解释“黑潮”对我国的气候影响没有那么显著的原因啦!


附图