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发信人: qpcwth (独翅鸟), 信区: Science
标题: 4.2 更多的波和红斑
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年12月26日19:53:01 星期三), 站内信件

在20世纪70年代，孤子被从科学家密室中发掘出来、风靡一时之后，研究人员探究了水
的其它非线性性质。TRW公司防御与空间系统研究组的亨利·延(Henry Yuan)和布鲁斯·
莱克( Bruce Lake)认识到，回溯至1890年，著名数学家和物理学家乔治·斯托克斯(Ge
orge Stoke s)爵士就对该学科做出宝贵的贡献。斯托克斯的理论研究表明，把线性色散
原理应用于很深的水是一种过分的简化，因为在海洋中，非线性必须加以考虑。例如，
必须考虑在不同的深度重力的影响。用斯托克斯的非线性项，延和莱克推导出一个KdV方
程的亲族，它显示，深水中的孤子并不呈现罗素孤子中所见的高度与速度间的简单关系
。不过，它们能形态不变地运动很长距离，能幸免于碰撞。卫星已经拍下这些孤子的照
片(参见图4.8。请记住你在镜子的哪一面上；你正在找的这幅图在197页)。
世界上最强烈的水孤子无疑是海啸，即地震波，误称为“潮汐波”(它与潮汐无关)。(
在英文里，tsunami和tidal wave均指海啸，后者的字面意义是“潮汐波”。——译者
注 )尽管海啸在海洋中发生，数学处理上却等效于浅水波(运河中的波)。这是因为海啸
的巨大波长(即［相邻］波峰之间的间距)达数百米长，其线度远大于［此处］海洋的深
度。
当强烈的地震冲击海底时，形成海啸。地震引发的此种波仅几英寸或几英尺高，却完好
如初地越海传播几千英里。由于其波长很长，故相当于整个波通过一个特定点要花一个
小时。途经海啸的远洋客轮将只经历数十分钟的轻微上升。除非用最灵敏的仪器，否则
无法检测出来。
人类的灾难始于海啸到达大陆架之时。在浅水中，海底处的非线性效应迫使波长缩短，
高度增加。结果令人生畏。海啸从几英寸或几英尺高的孤子，变成冲击海岸和港口的10
0英尺高的水山。1775年在里斯本害死数千人的海啸，曾使启蒙时代的许多作家怀疑仁慈
上帝的存在。1702年日本的一次海啸夺去十万人的生命，1882年喀拉喀托岛火山爆发产
生的地震孤子使几千人丧生。
如果孤子在水里产生，在空气中为何不行?大气中能否存在长距离传播而不受干扰的稳
定脉冲?
最早记录的大气孤子，可能是1951年6月19日席卷堪萨斯的冷空气团。在一英里多高处
，气压的陡然变化沿逆温层展开。记录显示，该孤子前锋有100英里长，以每小时12英里
的速度推进几百英里。此种稳定又恒定的脉冲，一定是非线性造成的，非线性与大气的
扰动相互耦合，阻止孤波的耗散。
近些年，气象学家们对大气孤子作了认真研究，并且已知存在两种形式的孤子。一种叫
E孤子或“凸波”，相当于罗素的水波。另一种叫D孤子或“凹波”，是一类〖HTH〗
反孤子。
这些孤波不仅已在我们地球的大气中观测到，而且在其它行星的大气中亦已观测到。火
星上的塞瑞斯山脊附近，晚春和初夏早晨的几个小时中，大气的性质有轻微的变化。这
是扫过山脊的潮涌式扰动的结果。
最有名的孤子，大概非木星上的孤子莫属。
1664年英国科学家罗伯特·胡克(Robert Hooke)观测到，在这一巨大行星表面上有一个
红色斑。随后50年人们进行过许多进一步的观测。但1713年至1831年间，未见有观测记
载。不过，整个19世纪下半叶，木星大气的这个特征变得愈益引人瞩目。
红斑位于南半球，正好在木星赤道下方。它大得可以轻松装下整个地球。当科学家认识
到木星表面不是固态时(木星表面由液化压缩气体组成)，认为大红斑是山峰或高原的想
法便受到怀疑。另一种认为红斑是冰筏的理论，也被排除了。正如逐渐知道的，大红斑
必定是大气红斑，因为它的经度随着红斑围绕木星运转而变化，而纬度保持不变。这样
长寿的大扰动给行星际科学家提出了一个大难题。还发现过其它一些斑，木星上有好几
个，土星上的一个斑是木星红斑大小的四分之一。
大气旋涡怎么能数世纪保持稳定?红斑上面和下面的盛行风以每秒100米的速度相向刮过
，但红斑的运动速度只有每秒几米。红斑夹在两股高速气流中间，好比在两只手之间滚
动的滚珠轴承。
［KH10］［HT6H］图4.4 木星之目，两个孤子间的一个大孤子
1976年，加利福尼亚大学两位科学家提出，红斑是一个庞大的E孤子，是一个陷于两个
D孤子之间的非线性凸波。
按照这一模型，大红斑并不很深；它漂浮在木星大气的上面。关于红斑孤子特性的说法
，［证据］来自对南热带低压的观测。南热带低压是木星大气的另一主要特征，它为人
所知已有几十年了，它看起来似乎象一个D孤子。令天文学家惊奇的是，在20世纪50年
代，这一低气压区开始靠近红斑，并且好象进入了红斑并消失掉，但是在另一边又脱离
接触，恢复原状。在线性世界里此种行为完全无法想象，但它是日常的非线性魔术。
依靠更复杂的计算能力，科学家们无论在模型还是在实验中，都已能够再现这一戏法。
1988 年，加利福尼亚大学机械工程系的菲利普·马库斯(Philip S.Marcus)验证了木星
上巨孤子涡旋的一种理论，制作了一部栩栩如生的计算机影片。影片显示出小涡旋如何
自发形成，在木星大气中给定的切变风的适宜条件下，小涡旋如何被扫入较大、较稳定
的斑。用这一理论的创立者之一安德鲁·英格索尔(Andrew P.Ingersoll)的话来说就是
：给人以大尺度秩序自发地从小尺度浑沌中产生的印象。
紧随马库斯的图示验证，德克萨斯大学奥斯汀分校的三位科学家乔尔·索莫利亚(Joel
Somm eria)、斯蒂文·迈耶斯(Steven D.Meyers)和哈里·斯维尼(Harry L.Swinney)，
试图看看他们能否在实验室里实地产生一个“红斑”。为了创造发生在木星上的那种切
变，他们三人采用一个快速旋转的圆柱水桶，流体从水桶内圈注入，从外圈流出。当保
持适当的注入速率和圆柱旋转速度时，一些流体开始反向旋转并产生切变区，涡旋在其
中出现；流体开始混合并形成更大、更稳定的“红斑”。在木星星体上，摩擦将恒定地
消耗掉能量，对流将不断地运送新的流体进出红斑。而且，红斑主动地吸收在其附近偶
然形成的所有小涡旋。
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心事浩茫连广宇,于无声处听惊雷

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