泡泡風暴--肥皂膜上的大氣模型
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泡泡風暴--肥皂膜上的大氣模型 作者:C.Y.Chuang 2008/05/29
法國波爾多第一大學(Université Bordeaux 1)的物理學家在半球形的肥皂膜上製
造出旋渦圖像,可用來模擬土星大紅斑及地球颶風等等的大氣現象。
相對於行星的直徑,環繞在行星外的大氣層顯得非常薄,可視為二維結構。同樣的,
肥皂膜也有此特性,所以被拿來作為大氣對流的模型。過去已有人在肥皂膜上製造出紊流
圖像,但出現的是一對旋轉方向相反的氣旋,並非大自然中出現的單一旋風,無法用來解
釋自然現象。
在近期發表的Physical Review Letters中,法國Kellay帶領的研究小組成功地利用
熱對流,在肥皂泡泡上發展出單一氣旋。他們用吸管吹出一個直徑約十公分的半球形肥皂
泡泡,從底部加熱,藉由溫度梯度的差異,使得較溫暖的肥皂溶液往上跑,形成對流旋渦
。過程中使用數位攝影機記錄肥皂膜上的流動速度,並且由膜的顏色分析出厚度變化,發
現皆與前人的實驗相差無幾,但為何這次Kellay的研究小組可以看到如同自然界中的單一
氣旋呢?原來差異處就是Kellay的實驗裝置沒有拘限肥皂液的側牆,因此Kellay認為是側
牆的邊界效應使得前人的系統不同於自由流動的大氣,阻礙了紊流的形成。
接著,他們將肥皂膜上記錄到的統計數據與幾個颶風的行進路線相比。從位移來看,
肥皂膜旋渦受到底部熱氣流的衝擊,呈現每秒位移一公分的隨機運動;相較之下,颶風的
路線因科氏力的影響,明確許多,兩者似乎沒什麼關係。然而,從平均平方位移來看,肥
皂旋渦和颶風路徑竟擁有相同的指數形式,展現出極大的相似度。
這個結果表示,我們可以由如此的小實驗裝置研究大尺度的天氣現象,若能更進一步
發展理論模型,可望促成大氣科學的重要進展。
原始論文
F. Seychelles, Y. Amarouchene, M. Bessafi, and H. Kellay, Phys. Rev. Lett. 100,
144501 (2008)
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