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聊一聊行星大气重力波

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考虑到这个吧里的一群民科认为大气啊,地磁啊,啥的波动都是地震相关,所以聊一下这个大气中最常见的波动吧
文章转自知乎

波现象在大气和海洋中随处可见.日常生活中大家经常可以观测到水波沿着水面传播,然后在岸上消失. 波可以认为由物质的许多相邻包裹体围绕平衡态发生振荡的一种集体现象. 在密度连续变化的流体(包括水和大气)中,这些振荡的包裹体在每一周期内不断地推动这些流体作上下运动,故波可以垂直传播,也可以沿着密度恒定的流体表面水平运动. 因此波可以分为表面波和内波. 只能水平传播的波为表面波,而即可以水平传播也可以垂直传播的波为内波.
下面先以生活中常见的水波为例,然后再讲述大气重力波.


IP属地:山东1楼2023-08-21 08:52回复
    表面水波
    表面水波是地球上研究最多和最广为人知的波.若表面波的恢复力是重力,则这些波成为表面重力波. 若恢复力为表面张力,则这些波称为毛细波(通常为短波). 若表面张力和重力共同作为恢复力,则这些波称为毛细重力波(Capillary-gravity Waves).

    如上图,生活中经常可见到,当风吹过水面时会产生涟漪.在风接触水面中心的局部区域,当风打破平静水面时,水要恢复平静时的平衡状态,这时恢复力为表面张力,则会产生毛细波(Capillary Waves). 中心局部区域附近会产生涟波(Ripples),即涟漪. 紧接着产生碎浪(Chop).再往远处产生风波(Wind Waves)、最大浪高(Fully Developed Seas)、涌浪(Swells). 这些波的恢复力为重力,故这些波为重力波.


    波的基本参数含义如上图. 其中:
    波峰(Crest): 波的最高点;
    波谷(Trough): 波的最低点;
    波长(Wavelength): 相邻两个波峰/波谷之间的水平距离;
    波高(Wave Height): 波谷到波峰的垂直距离;
    波陡度(Wave Steepness): 波高与波长之比;
    波的振幅(Wave Amplitude): 波谷到波的水平中心的垂直距离;
    波的周期(Wave Period): 一个全波长通过某固定点的时间.


    IP属地:山东2楼2023-08-21 08:53
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      下图为海岸边海浪的示意图. 沙滩上经常可以见到该现象. 在波接近海岸时,会产生卷碎波(Plunging breaker)、涌浪(Wave surge).


      IP属地:山东3楼2023-08-21 08:54
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        水的内波
        海洋中水的密度在垂直方向上不是恒定的. 密度不均匀性主要是由温度和盐度含量变化所引起的. 上层水受到的太阳辐射加热、河流的流动、冰层融化降低了近地表水的密度. 随着时间推移,这些效果叠加起来会导致水会形成一个稳定的密度分层:上面的密度较轻,下面的密度较大. 分层的海水除了会在水面上形成表面波外,还会形成内波,即在水的内部传播的重力波.

        由于水的内波在水面下传播,故我们站在地面上无法直接看到. 但内波的运动会留下非常明显的痕迹,这样我们可以利用卫星进行跟踪拍摄.

        上图中倾斜的条带为在水面下传播的重力内波.


        IP属地:山东4楼2023-08-21 08:56
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          行星大气波现象
          大气作为一种流体,也会发生波动现象.

          下图为大气波形成的原理图.

          风速的方向为从左到右. 冷空气上升后会凝结变冷,故波峰处的温度很低(图中波条蓝色部分). 由于从波峰处沉降的空气被压缩且变热,故波谷处的温度很高(图中波条红色部分). 由于波的能量能将空气团抬升,空气团在波峰处达到饱和状态. 故云会在波峰处形成.

          卫星拍摄到的位于印度洋区域的大气波(Atmospheric Waves)与水内波(Internal Waves)
          根据恢复机制,可以将大气波分为:
          声波:其恢复力为压强梯度力;
          重力波:其恢复力为重力;
          罗斯贝波:其恢复力为科里奥利力.


          IP属地:山东5楼2023-08-21 08:58
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            大气重力波的分类
            行星大气重力波指的是在重力作用下产生的一种波动,其产生与垂直运动联系在一起. 与水波类似,大气重力波可分为重力外波和重力内波.
            重力外波是指处于大气上下边界的空气,受到垂直扰动后偏离平衡位置,在重力作用下产生的波动. 它发生在边界面上,离扰动边界越远,波动越不显著.也就是说重力外波只能在水平方向上传播,而不能在垂直方向上传播.在地球大气中,重力外波的传播速度大约为,声波的传播速度大约为. 这两种波都比空气运动的速度大很多,故声波和重力外波均属于快波类型.
            重力内波是指在大气内部,由于层结作用或在大气内部的不连续面上,空气微团受到垂直扰动后偏离平衡位置,在重力作用下产生的波动.重力内波的传播速度大约在,故重力内波属于中速波型.
            大气重力波的周期与其水平波长和垂直波长有关. 波周期的范围大约从几分钟到几小时,但一般小于行星自转周期. 水平波长尺度一般远小于行星半径,其范围从几十千米到几百千米.
            大气重力波的起源机制
            地球中性大气层根据大气温度轮廓可分为对流层(Troposphere)、平流层(Stratosphere)、同温层(Mesosphere)、热层(Thermosphere). 其中对流层为低层大气,平流层和同温层为中层大气、热层及以上为高层大气.大气重力内波可由这些层中的很多过程作用所产生,但主要还是起源于低层大气. 在对流层中,重力内波的起源因素包括海啸、飓风、地震、火山爆发、地形山脉.而最主要的起源因素为对流层中的天气. 因大气对流、冷锋、气旋活动及风的不稳定性都能造成空气微团垂直移动.

            大气重力波主要起源于低层大气,且可传播到高层大气


            IP属地:山东6楼2023-08-21 08:59
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              下图展示的是当背景风吹拂山脉时,大气重力波的产生原理:

              背景风吹拂山脉的迎风面时,将热空气团抬升;
              热空气团上升时,抵抗重力,且其温度开始下降;
              上升的空气团开始冷却,导致空气团的密度增大,使得空气团上升的速度变慢,最终开始下沉;
              随着空气团开始沉降,重力加速其下沉速度,其温度开始升高;
              空气团下降时温度升高,使得其密度低于周围空气,于是再次上升;
              空气团反复上升下降,然后随着背景风的运动慢慢消失.
              大气重力波对高层大气的影响
              大气重力波可以携带能量和动量. 波的能量和波振幅的平方与背景大气密度的乘积成正比. 当重力波往上传播时,其振幅呈指数般增长,以弥补大气密度的急剧下降.这个过程改变了中高层大气的运动,故会导致中高层大气的速度和温度的大尺度扰动.
              当空气团往上移动到低密度区域时,根据热力学第一定律,其温度开始下降.空气团开始向下移动,向下移动时带走背景大气的热能. 在重力波的传播过程中,空气团的压缩和膨胀效应相互抵消,从而不会产生净损失和净输入的热能. 当重力波开始随着高度衰减时,压缩和膨胀效应不再抵消,故会产生方向向下的感热通量(the sensible flux). 因此,重力波与分子间的热传导的共同作用影响着高层大气热结构的稳定性.
              其他天体的大气重力波现象
              大气重力波不仅出现在地球上,还会出现在金星、火星、木星、土卫六等这些具有大气的天体中. 在金星、火星和木星上,我们可以观测到重力波云的结构.高层处的重力波可形成水冰云,低层处的重力波可形成CO冻云. 在金星和木星上,云层中的重力波可能起源于低层不稳定大气的对流运动,也可能起源于开尔文-亥姆霍兹不稳定性.

              金星云层中的重力波结构
              在火星局部沙尘暴区域内,由重力波形成的水冰云
              与地球类似,当背景风吹拂金星、火星表面上的地形山脉时,其也能产生大气重力波.

              金星表面地形结构引起的大气重力波


              IP属地:山东7楼2023-08-21 09:02
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                不过考虑到民科神棍也看不懂,懒得打字,直接复制粘贴了


                IP属地:山东8楼2023-08-21 09:02
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                  这要是地震云,那我们峄山脚下天天地震


                  IP属地:山东来自Android客户端9楼2023-08-21 11:19
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                    没事做去上山逮蚂蚱去,不要乱说


                    IP属地:江苏来自Android客户端10楼2023-08-21 12:11
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                      帮顶


                      IP属地:天津来自Android客户端11楼2023-08-21 14:17
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                        @星际魂
                        唉,这是要对大气多么一无所知才会对大气中的各种波动一无所知啊


                        IP属地:山东12楼2023-08-24 16:37
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                          今天青岛的波状云


                          IP属地:山东13楼2023-08-28 15:38
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                            这个成层透光波状高积云不错,算是近期最标准的了


                            IP属地:山东14楼2023-11-21 10:25
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                              一有大点的地震就有民科神棍出来跳大神
                              来个南桑威奇群岛的地形波


                              IP属地:山东15楼2023-12-04 14:13
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