逍遥学能 2017-08-18 17:50
近日瑞士苏黎世联邦理工学院和美国迈阿密大学的研究人员表示，地球上某些巨大的海洋涡流从数学角度看相当于太空的神秘黑洞。墨西哥湾流使得北欧经历了温和的冬天，它组成了遍布全球的海洋气流的一部分，后者对气候产生一定的影响。然而，我们的气候也受到沿着海洋旋转和漂移、直径超过150千米的巨大涡流的影响。在南冰洋这些巨大涡流的数量不断上升，增加了温暖咸水往北部的运输量。有趣的是，这或可能会缓和温暖气候里融化海冰产生的负面影响。
然而，到目前为止，科学家仍无法量化这种影响，因为这些旋转水体之间精确的边界仍无法检测。苏黎世联邦理工学院非线性动力学教授乔治哈勒（George Haller）和迈阿密大学海洋学教授弗朗西斯科宝龙-维拉（Francisco Beron-Vera）就这个问题提出了一个解决办法。发表在《流体力学》期刊上的一篇文章里，他们研发了一种新型数学工具，以寻找具有清晰连贯边界的水传输涡流。
寻找这样的涡流的最大挑战在于在湍流的海洋里确定清晰连贯的水岛屿。对于在涡流内部和外部的观察者来说，旋转和漂移的流体运动似乎太过混乱。哈勒和宝龙-维拉通过从一系列卫星观测里隔离出连贯的水岛屿，从而在这种混乱中恢复了秩序。让他们惊讶的是，这种连贯涡流从数学角度上看非常类似黑洞。
无法逃离涡流
黑洞是非常大的天体，它吸引了附近一定范围的一切物体。任何靠近黑洞的物体都无法逃脱，即使是光。然而，当位于一定的距离以外，光束不再旋转进入黑洞，而是被极大的弯曲并折回最初的位置，形成圆轨道。在爱因斯坦的相对论里，这种封闭的光轨道形成的障碍表面被称为光子层。
哈勒和宝龙-维拉在选择的海洋涡流里发现了相似的封闭障碍。在这些障碍里，流体粒子以封闭环的形式移动类似于光子层里光的路径。正如黑洞里的情况一样，任何物质都无法逃离这些封闭环，即使是水。
正是这些障碍帮助科学家确定了大量观察数据里的连贯海洋涡流。巨哈勒表示，这种连贯水体轨道的确存在于复杂海流里的事实让他们大吃一惊。
涡流作为水的趋向性
由于黑洞类型的海洋涡流非常稳定，它们的功能相当于交通工具不仅对于例如浮游生物等微生物或者类似塑料废物或者油等异物，也针对于与周围水体不同的温暖咸水体。哈勒和宝龙-维拉已经证实了对厄加勒斯环的观测，后者是一组规律性出现在非洲南段南冰洋的海洋涡流，它们会传输温暖咸水至西北部。研究人员确定了7个黑洞类型的厄加勒斯环，它们能够毫无泄漏的传输相同水体长达一整年。
哈勒指出相似的连贯涡流也存在海洋以外的其他复杂流体里。从这个角度上看，很多旋风可能也类似于黑洞。即使是木星表面的大红斑一种静态风暴可能也是黑洞类型涡流最壮观的例子。数学家一直都试图理解涡流里这种奇特的连贯旋涡。哈勒解释道。
酷似黑洞
值得注意的是，第一个将海洋涡流描述为连贯水岛屿的人可能是美国作家埃德加爱伦坡(Edgar Allan Poe ）。在他的小说《莫斯可漩涡沉溺记》里，他想象了在一个大漩涡附近一条稳定的泡沫带。这正是哈勒和宝龙-维拉的灵感来源，他们随后利用复杂的数学公式试图寻找这些稳定带也就是海洋版的光子层。他们的结果将帮助解决一系列海洋谜题，包括从与气候相关问题到环境污染模式的传播。
墨西哥湾的涡流
在哈勒和宝龙-维拉发表这篇研究之后，迈阿密大学的海洋学教授约瑟菲娜奥拉思科加（Josefina Olascoaga）测试了他们的新数学方法。她意外的在墨西哥湾发现了一个巨大的黑洞类型的涡流。奥拉思科加现正利用她的发现评估未来可能的石油泄漏的污染传播方式。