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天空中的云泛起了漩涡,仿佛停在空中的海浪:

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这张照片由飞行员肖恩麦考利(Shawn McCauley)在美国密苏里上空拍摄。这种云其实清晰地体现了一种在自然界十分常见的流体现象:开尔文-亥姆霍兹不稳定性(Kelvin–Helmholtz instability)。

两层以不同速度流动的流体,在它们的交界面上会出现这种不稳定性的现象。两层流体可以是向不同方向流动,也可以是同方向但速度不同。在这种情况下,最初微小的扰动会被逐渐放大,最终交界面完全失去稳定性。

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之前在推送中介绍过用不同密度液体进行的开尔文-亥姆霍兹不稳定性演示。在一个长长的容器中分别小心地注入两层液体,上层是普通的清水,下层是密度更大的盐水(图中它们分别用色素染成了粉色和蓝色)。两层液体不会立刻混合在一起,而是分成清晰的两层:

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接下来,将密封好的长容器倾斜一定角度,密度较大的盐水向下流动,较轻的水向上流动。在它们的交界面上,原本平稳的交界面上形成了越来越大的波动,进而出现漩涡,最后变成了一片混乱的湍流。

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放慢来看看:

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简单解释的话,首先在不同速度的液体交界面上会有一些较小的扰动出现,然后在遇到“障碍”的地方,流体流动得更快一些:

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根据伯努利定律,流动更快的地方压强更小,压强的变化推动液面上的凹凸变得更大,然后又被两侧不同流速的流体推动,产生“漩涡”:

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开尔文-亥姆霍兹不稳定性的现象在自然界真的非常常见,除了开头看到的云,海洋、土星的云带、木星的大红斑、太阳的日冕等一系列地方也都有这种现象出现。有人还认为,梵高在《星夜》中所描绘的漩涡图案也与开尔文-亥姆霍兹不稳定性有关。

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动图及解释来源:Sixty Symbols

开头的图片是从这篇报道中看到的:https://www.abc.net.au/news/2018-11-06/pilots-can-ride-alongside-breakers-in-the-atmosphere/10469280

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