撰文 七君
今年4月 ， 印尼南伽拉号潜艇（KRI Nanggala (402)）沉没 ， 潜艇上的53人也随之殒命 。 这艘由德国制造的潜艇碎成了三块 ， 沉睡在840米深的海底 。 现在事故原因还没有查明 ， 不过印尼海军少将 Iwan Isnurwanto 称 ， 一个海中自然现象可能是事故的肇因 ， 日本气象卫星向日葵8号还拍摄到了证据 。
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印尼南伽拉号潜艇活着时候的样子 | 图源：ANTARA / VIA REUTERS
这个可怕的现象 ， 就是在岸上和水面的人很难觉察的内波（internal wave） 。
内波就是在水下的一种重力波 ， 内波的产生的必要条件是分层的液体 ， 当不同液层的界面被扰动时就会产生内波 。
我们用油和水就可以模拟内波 。 你可以看到 ， 油和水的界面上也有暗波涌动 ， 但这种波在油面上几乎不会引起什么变化 。
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在水（蓝色）和油（透明）的交界处形成了内波 | 图源：Portland State University
在海中 ， 更热、盐度更低的海水位于上层 ， 上下层之间的密度差使海水分层 ， 为内波创造了初始条件 ， 当潮流遇到海底高山等阻碍时就会内波就会涌现 。 实际上世界各地的大陆附近经常会出现内波 。
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全球出现内波的地方 | 图源：Cornell Civil and Environmental Engineering
和水面的波浪不同 ， 内波可以传播数千米 ， 并且可以持续数小时 。 内波的幅度 ， 也就是最高和最低处常常超过50米 ， 这也让内波变得极为危险 。
根据斯克里普斯海洋研究所（SIO）的海洋和大气研究部的部长 Matthew Alford 和同事在2014年发表的研究 ， 在10分钟内 ， 海洋表层10米厚的海水就能打出一个近40米的浪头 ， 只不过这个浪头是向下的而不是向上的 。
这样迅疾的内波对于浮潜的人来说相当致命 。 Alford 介绍 ， 他曾经作为专家被邀请为一场诉讼提供专业建议；在这个案件里 ， 一名大溪地潜水员被内波刮到了深海 。
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畏惧内波的不仅有潜水员 ， 还有各国的潜艇 。
早在1966年 ， 美国海军的一项研究就指出 ， 内波可以让潜艇的控制变得困难 ， 甚至可能导致潜艇沉没 。 二战时 ， 潜艇通常会避免在连接地中海和大西洋的直布罗陀海峡处作业 ， 就是因为它们知道那里有臭名昭著的内波 。
在30多年前 ， 真的有潜艇在直布罗陀海峡出事了 。 1984年9月21日 ， 苏联的潜艇悄咪咪地潜伏在苏联的一艘商船下通过直布罗陀海峡 ， 但在快要离开的时候却一下子撞在了商船上 。 这次相撞导致商船损坏严重 ， 潜艇的头也破了 ， 最终不得不浮出水面曝光 。
直布罗陀海峡的邪性和那里独特的自然条件脱不了关系 。 根据欧洲航天局（ESA） ， 直布罗陀海峡的海水大致分为两层：下层是更咸的地中海海水 ， 上层是盐度稍低的大西洋海水 。 再加上直布罗陀海峡海底地貌复杂 ， 那里有大量内波出没就不奇怪了 。
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欧洲遥感卫星拍摄到的直布罗陀海峡海洋表面 ， 海面的波纹揭示下方有内波 | 图源：ESA
刚才说过 ， 世界各地的大陆架附近都有内波 ， 而拥有最为惊悚的内波的海域除了直布罗陀海峡 ， 还有我国的南海、印尼的龙目海峡、安达曼海的小安达曼岛和卡尔尼科巴岛、意大利半岛和西西里岛之间的墨西拿海峡 。
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这是麻省理工学院（MIT）制作的南海的吕宋海峡（位于台湾岛和菲律宾之间）的内波 ， 它是潮流经过吕宋海峡时产生的 。
我国南海东沙群岛附近的内波可能是世界上最强力的 ， 幅度可达300米 。
今年 Alford 在接受美国全国公共广播电台（NPR）采访时表示 ， 美国、俄罗斯和中国都花了大笔经费研究南海的内波 。
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1998年Radarsat-1号卫星拍摄到的南海的内波在海洋表面引发的波纹 ， 白色箭头所指的就是内波 | 图源：CSA 1998
看完了上面对内波的描述 ， 你可能会认为 ， 只要不潜水、不搭乘潜艇就没事儿了吧 ， 实际上 ， 在海面也有被内波欺负的可能 。
内波会造成一种名为死水（dead water）的罕见现象 。 有些海面看起来风平浪静、人畜无害 ， 但在海面航行的船只却无法前行 ， 这就是遇到了死水 。
这是因为船只航行在和船差不多深的淡水上 ， 淡水下方则是盐度更高的海水 ， 两者没有充分混合 。 这种情况下船的动能会被转化为内波 ， 造成船只无法移动 。 峡湾附近经常会出现这种现象 ， 因为冰川融化的淡水和峡湾的海水没有完全混合 ， 因此淡水能轻轻地浮在上层 。
死水现象一开始被当作水手间的奇谈 ， 但是后来因为著名挪威探险家弗里乔夫·南森（Fridtjof Nansen）的经历而得到科学研究 。
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1893年南森搭乘的北极探险船只 。 图片来源：Fridtjof Nansen
1893年 ， 南森在亚洲最北的半岛——泰梅尔半岛附近探险时遭遇了死水 。 他将自己的经历告诉了物理学家威廉·皮耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes） 。 皮耶克尼斯和他的学生、后来被誉为现代物理海洋学的第一人的沃恩·华费特·埃克曼（Vagn Walfrid Ekman）发现 ， 船在分层的液体上前进时会产生内波 ， 而内波会阻碍船只前行 ， 导致死水出现 。
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【潜艇|看到海面出现这种波浪千万别下水，连潜艇都怕它们】在海洋中内波简直防不胜防 。 麻省理工学院的海洋学家 Thomas Peacock 表示 ， 内波就是海洋中沉睡的巨人 ， 它们在全世界的海洋里滚来滚去 ， 但是人类却很少看到它们 。
虽然内波之上常常风平浪静 ， 但某些情况下大家可以在海边观察到内波 。 海面上间距较大的一行行涟漪就是下方内波的表征 。
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内波在海面形成的图案 | 图源：Jen MacKinnon(SIO)
比如 ， 索马里海岸的亚丁湾就常有内波留下的壮美“皱纹” 。 亚丁湾的海底地貌相当雄伟 ， 有非常陡峭的大陆架外缘 ， 因此常常会发生壮观的内波 。 当然了 ， 这种情况下下海是极为危险的 。
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索马里海岸的亚丁湾内波在海面留下的痕迹 | 图源：Earth Sciences and Image Analysis Laboratory, NASA Johnson Space Center
内波虽然破坏力巨大 ， 但也是全球生态和气候中的重要一环 。
内波能将藻类和浮游动植物进行重新分布 ， 为海岸生态系统带来营养 ， 也能让海水混合 ， 这对于地球的气候变化非常重要 ， 因此内波的活动也可以被用于预测气候变化 。
如果你很想观察内波但又没机会观海 ， 望天也是一个办法 。 其实 ， 不仅海里会出现内波 ， 天上也会哦 。
大气具有冷热分层的空气时也会形成内波 。 下面是澳洲北部大气中的内波形成的波纹 ， 我们看到的是云在经过内波时被裱出的花 。 这种能揭示大气层中内波的云也被称为波状云（wave clouds） 。
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图源：Nick Hall/Paul Sabatier University
那么 ， 波状云在地面上看是什么样的呢？我们平时在地面上看到的这样的云就是内波卷出来的 。 这种天空也被叫做鱼鳞天（mackerel sky） 。 一般来说看到这样的天空 ， 天气就很可能会发生变化 。 这招观天你学会了吗？
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鱼鳞天 | 图源：weather.gov
参考资料储存于石墨：
https://shimo.im/docs/JDPWCgv888CXYrJt/
来源：把科学带回家
编辑：Eric
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