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重力波是否真的存在？: 热度 8 bochang 2016-9-15 13:02; 1. 今年初科学界发表了一个重大的发现，宣布首次检测到重力波的存在。爱因斯坦一百年前在其广义相对论中假设了重力波。根据相对论，空间与时间形成了一个交织的“空时” (spacetime) 系统。在这个系统内，时空的弯曲度与重力源有关。当重力源变化时，时空的弯曲度也会随着变化。这种弯曲度的变化不会停留在一处，而是会传播开来。这就是“重力波”（ gravitational wave ，或称“引力波”）。从 20 世纪中叶以来，许多科学家设计了种种实验去检测这个理论上的重力波。但都没有成功。 2016 年 2 月 11 日，美国的一个名叫 LIGO （ Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory 激光干涉重力波天文台）的实验小组宣布了一条重大新闻：他们终于探测到重力波了。 2. 这个发现所根据的数据探测到重力波的是两个相距 3000 公里的 LIGO 探测仪。它们分别位于美国南部的路易斯安那州和美国西北部的华盛顿州。根据 LIGO 发表的文章 ( Ref.1 Phys. Rev. Lett. 116 , 061102 ) ，检测到重力波的信号是极小的。图 1 是 LIGO 探测到重力波的信号图像。图 1 ： LIGO 探测到重力波的信号图像（摘自 Phys. Rev. Lett. 116 , 061102 Figure 1 ）从图 1 可以看出，这次 LIGO 探测的重力波最大的信号为十万亿亿分之一（ 10 -21 ）。这是个什么概念呢？探测器的臂长是 4000 米，这个长度的十万亿亿分之一是 4x10 -18 米，而一个氢原子的半径约为 1.2x10 -10 米。也就是说， LIGO 探测到的长度变化只有一个氢原子半径的一亿分之一的数量级。不过，对于 LIGO 的领军者之一 Dr. Weiss 而言，他认为这次探测到的重力波信号已经大得超出了他的想象（ “It was amazing. The signal was so big, I didn’t believe it.” ）（ Ref.2 Gravitational Waves Detected,Confirming Einstein’s Theory ）。报告中指出，两个 LIGO 的观测站同时探测到的信号长达 0.2 秒。从路易斯安娜州探测到的信号比华盛顿州的信号早约 7 毫秒，这个时间差显示重力波可能是从南部天区传来。 3. 对这些数据的解释 LIGO 科学家分析以上数据后认为，这次探测到的重力波是由 13 亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为大约 29 颗太阳和 36 颗太阳，它们以光速的一半的速度接近，互相快速旋转，最终在 0.2 秒内合并成了一颗 62 倍太阳质量的高速旋转黑洞。在这个合并过程中，两颗黑洞部分的质量转换为能量，以强大重力波的形式释放到宇宙空间。根据他们的计算，这一事件释放的能量相当于我们太阳的质量的三倍。这种辐射能量比目前宇宙中所有星星所释放的能量的总和还要高出 50 倍！（ Ref.2 Gravitational Waves Detected,Confirming Einstein’s Theory ） 4. 这个发现的公布成了全球的大新闻如果 LIGO 公布的发现是真的话，这是非常了不起的事情。这是人类首次探测到重力波的存在，也是科学家首次观测到两个黑洞合并的惊人发现。关于这一发现的新闻立刻引起全球的关注。许多顶尖的媒体，包括，《自然》、《科学》、《纽约时报》、 BBC 新闻等等，都很兴奋地报道 LIGO 的重力波发现和爱因斯坦预言的成功。而 LIGO 计划的三位领军科学家： Kip Thorne ( 加州理工学院 ), Rainer Weiss (MIT) 和 Ronald Drever ( 从加州理工学院退休 ) 也成为了媒体关注的明星。科学界和媒体纷纷开始预测究竟哪几位 LIGO 的科学家会获得诺贝尔奖了。 5. 最近的研究报告显示，从中微子的观察检测不到 LIGO 宣称的黑洞合并如上所说，两个黑洞的合并会释放极大的能量，理论上这样的天文事件应该能够从其它光谱上探测得到。然而，在过去几个月来，一直没有别的天文观察能够证实 LIGO 宣称的黑洞合并的发现。相反的，最近的研究显示，从中微子（ neutrino ）的观察检测不到 LIGO 宣称的黑洞合并。两个中微子观察站（ IceCube and Antares ）分析了在 LIGO 发现黑洞合并前 500 秒到合并后 500 秒之间的数据，在 LIGO 宣称黑洞合并的方向并没有发现中微子通量的大幅增加 ( Ref.3 Phys. Rev. D 93 , 122010 ) 。按理来说，如果真的发生了巨大黑洞的合并，应该会发现很多中微子才对。 6. 等着回答的两个重要问题因此，我对于 LIGO 此前公布的探测结果有一些疑问。我认为在相信 LIGO 的结果之前，我们首先必须回答以下两个问题：我们是否可以排除其它对 LIGO 信号来源的解释？例如由地震引发探测器的震动？两个 LIGO 探测器分别位于路易斯安那州和华盛顿州。它们同处于北美地质板块上。因此，它们同时探测到的信号有可能是北美板块的震动。如何排除这个可能性呢？重力波的来源（两个黑洞的合并）是否可以通过其它观察来验证？ LIGO 的报告认为是两个黑洞的合并产生了被探测到的重力波。黑洞的合并会释放出极大的能量，应该可以用观测不同能量波谱（ different energy spectrum ）的实验来验证。有这方面的实验证据来支持 LIGO 的发现吗？到目前为止，我还看不见其它的实验证据。而唯一一个有关的研究报告，就是前面提到的中微子的分析报道，与 LIGO 公布的发现似乎不太吻合。 7. 这个故事很快就可以被验证是真的还是假的那么， LIGO 到底是否真的发现了重力波？目前也许言之尚早，这还有待更多的观测结果。不过，这个问题在几年内肯定就会有答案的。目前有好几个探测重力波的计划都在启动了。除了美国的 LIGO 重力波探测器之外，法国和意大利合作的 VIRGO 探测器很快就要上线了。还有德国和英国合作的 GEO600 也会启动，日本的 KAGRA 也正在建设中。除了地基重力波探测器之外，科学家也在积极筹备 LISA （激光干涉太空重力波天线）。也有科学家在利用一种叫 PTA(pulsar timing array ，脉冲星计时阵列 ) 的射电望远镜检测方法来探测重力波。中国也开始筹备一个重力波探测工程“天琴计划”。该计划已经于 2015 年 7 月份正式启动。或许不久的将来我们就能确定这次 LIGO 的发现到底是不是重力波了。参考文献： B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaborationand Virgo Collaboration) “ Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger ”, Phys. Rev. Lett. 116 ,061102 Dennis Overbye, “ Gravitational Waves Detected, Confirming Einstein’s Theory ”,New York Times, FEB. 11, 2016 S.Adrián-Martínez et al. (Antares Collaboration, IceCube Collaboration,LIGO Scientific Collaboration, and Virgo Collaboration) “ High-energy neutrino follow-up search of gravitationalwave event GW150914 with ANTARES and IceCube ”, Phys. Rev.D 93 , 122010; 个人分类: 未分类|9420 次阅读|16 个评论

无风不起浪——谈谈波浪是如何由风引起的: 热度 23 武际可 2016-3-21 10:36; 无风不起浪 ——谈谈波浪是如何由风引起的注：文中为了简单定量地说明具有微小扰动的液面，在风的作用下会起波浪，引进了少量简化计算，如果对这部分没有兴趣，可以跳过，直接看得到的结论就可以了。俗话说“无风不起浪”。是说风在水面上拂过才引起水面的波浪。所以南唐冯延巳有词说：“风乍起，吹皱一池春水。”。南唐冯延巳的词是说的微风的情形，而且风是“乍起”，即风吹的时间不很长，所以只是把水面吹皱。如果风速很大，风吹的延续时间又很长，还能够在江河湖海里掀起惊涛骇浪、翻江倒海。有纪录显示，台风引起的海浪起伏高度竟可达32米。大约有10层楼高！图1 风乍起，吹皱一池春水图2 惊涛骇浪从人们的直觉来看，似乎是由于风吹过水面时空气与水面的摩擦力把水带动引起的波浪。其实，没有那样简单。因为要是那样的话，既然风与水之间的摩擦力，作用在水平面上，总是水平地沿着水平面并指向风吹的方向的，所以风的作用只能带动表面的水随着风的方向流动，而不会掀起那样垂直于水面起伏的波浪。所以实际情况和这种直觉并不符合。那么，水到底是怎样掀起波浪的呢？这个问题有许多人进行过研究，有的主要考虑风对水面的法向应力，当然也有的主要考虑切向应力。还有的用数值方法来求解。迄今也很难说有一个公认的结论。我们这里利用比较简单的力学模型来进行定性的讨论。先来看一种情形，如图设粗线代表已经有一个波浪的水面。风是从左边吹来的。设想与水面有一定距离的地方，在虚线所画的那个高度上风速已经是均匀的了。并且设想风是吹过由水面与虚线组成的洞体的。显然，水面高处A，洞体的截面比起水面低处B的截面要小，所以A处的风速要比B处的风速大。图3 风与水面作用的示意图流体力学中有一个很重要的定律，就是伯努利定律。这个定律说，在一条流线上，流体质点的速度与在这点的压强成反比。也就是速度愈大压强愈小。更具体地说是沿着一根流线，我们设流体质点的速度为 v 密度为 ρ ，这点的压强为 p ，它们之间有关系 ½ ρ v 2 + p = 常数。从这个定律可以看出，流体速度大的地方，压强要小，速度小的地方压强要大。也就是一般地可以说，既然在水面高处风的流速比低处大，那么在水面高处相对于平均压强来说是负值，而水面低处取正值。这就是说，在有风的情况下，只要是水面有了起伏，水面高的地方受一个向上的吸力，而低的地方受一个向下的压力。在没有风，也没有别的扰动的情形下，水面的自然平衡状态是水平的。如果有一个扰动，使水面的一个地方鼓起来了，像下图，中心滴进一滴水。这时，在重力作用下，鼓起的地方就要向下运动，当鼓起的地方达到水平面时，由于向下运动的惯性，那些质点还会继续向下运动，直到把原来鼓起来的地方向下形成一个坑。这地方形成了坑，原来这地方的水质点便会被挤到四周，使得四周高起来。这时，四周高起来的地方又在重力作用下回落，又要形成一圈环状的坑，原来坑的地方又会向上运动鼓起来。就是说，原来鼓起来的地方的水质点，会不断上下运动，而周围便形成波，一圈一圈往外传。随着波的运动能量往外传，再加水内部的粘性，运动的振幅逐渐衰减下来趋于平静，水面又回复水平的平衡状态。图4 水滴引起的波浪图5 波浪起伏时流体质点的运动图5表示在小振幅的波浪，或者说在线性化表面波理论之下，液体质点的运动轨迹。它们都在沿着一个近似圆的轨迹运动。在质点处于液体愈深则圆半径愈小，切逐渐变为椭圆。现在，我们考虑平静的水平面上有风吹来。从前面讨论，我们看出，只要水面有任何的轻微扰动，亦即当水平面有任何一点小的高低不平，于是高的地方就受一个向上的吸力，低的地方就受一个向下的压力。水面的任何地方都在上下运动，随着上下运动，同一个地方一会凸起，一会凹下去，凸起来，风就向上吸，凹下去风就向下压。不过，由于凸面不管是在上升还是下降都向上吸，凹面也是不管是上升还是下降都是向下压，所以这种情况下并不会有能量输入。水面的波动也不能够保持。现在我们要问，当水面经过微小的扰动凸起来后，怎样的风速能够使这个凸起维持？显然，如果风速比能够维持水面凸起略微大一点，因为凸起的地方受风的作用向上吸，凹面受风的作用向下压，波浪就会维持和继续升高。为此，我们做下面的简单估算：考虑图3上的A点，大气的密度为 ρ 风速为 v ；我们还由小振幅重力波理论知道，水面上A点的运动轨迹是一个以 R 为半径的圆，不妨设这个质点的运动周期为 T ，我们知道水的密度是1000 kg/m3，重力加速度为 g ，A点的速度是2πR/T显然质点A所受惯性力和风力与重力相平衡的条件，即风对A点向上吸力加上A点做圆周运动的向上的惯性力应当和A点所受的重力相平衡，这就是： ½ ρv 2 /R+1000(2πR/T) 2/R=1000 g. 密度用 ρ =1.29kg/m3 代入 , 近似用g=10m/s2，π2=10代入，就近似得到。 v 2 =800 R （10-40 R / T ）由于式中左边为正，所以右端必须有 R / T 0.25., 即R0.25T,否则在无风的条件下，A处的质点会自动跳离水面，这当然是不可能的。在实际情况，水面的微小扰动，可以有不同的R和不同的T,这对应于不同的波长与周期。于是可以看出，当 R / T 与0.25很接近时，很小的风速就能够使微扰动的水面凸起不再下落。上面我们是对于水面上一个质点微小扰动后所受的重力、风力和惯性力来讨论，他被风“掀起”的条件。现在我们换一个角度来讨论风压对这个被扰动后的液面所做的功。设在传播中的波面的表达式为 y = A sin 2π （ x/l — t/T ），其中 y 是波表面质点相对于水平面的高度， T 是周期， l 是波长， A 是波幅。我们知道，力乘物体的速度，就是力做功的功率。现在我们来考虑空气压力作用在行波面上做功的功率。为此，我们计算上下运动的速度 u=∂ y /∂ t = — （ 2 A π1/ T ） cos2π( x / l — t / T ） , 其中 u=dx/dt ，是波传播速度。现在考虑作用在波面上的压强。我们前面讨论过，风压的分布是随液面的起伏不同，扣除平均大气压力，在波面高处，有向上的吸力，在低处有向下的压力。在实际情形下，压强的最大处并不是出于如图 3 波面的最高处，而是略微偏右一点，也就是略微偏向波面最高点的背风面。这种情况就使压强的表达式有一个小的位相偏移量 δ 即 p =Bsin( x / l — t / T — δ ). 为简单计，令 α = x / l — t / T ，于是在一个振荡周期中，风压对波面所做的功率在一个振荡周期上的积分为 U=ʃ pu d t = ʃ d t ，积分是从 0 到 T 。由于 sin 2π ( α—δ )=sin2 π α cos 2π δ —cos 2π α sin 2π δ ，把它代入上式，经过简化和积分就得到 U= ʃ pu dt= （ 2 AB π 1 /T ） sin2 π δ ʃ d t ，由于积分前面的系数都是正的，被积函数又是平方项，显然这是一个正值的积分。就是说，风压对波面不断做正功。也就是说，只要是有风，它就会不断向有微小扰动的液面输入功，从而增加液体的动能。这就是只要风不断吹，波浪就会不断升高的道理。综合以上的讨论我们看到，在用前面的式子求出的风速的条件下，水平的水面平衡是不稳定的。就是说风速的任何增加都会使水面离水平面越来越远。这就是为什么，风一吹，水面就起波浪，也就是“风咋起，吹皱一池春水”的道理。不过又会产生一个问题，既然有风持续吹，波浪就会越来越高，是不是就会无限高下去呢？不会的，我们知道波浪往远处传就相当于把能量传播出去，另外水的粘性也会消耗一部分能量，这样，当风输入的能量和波传播以及水的粘性消耗的能量平衡时，即使风继续吹，波浪也不会再高上去，而会维持在一个高度上。一般说来风速越大持续的时间越长浪越高。下面这张表，就是一张在风吹的条件下风速和海浪高度的对照表。它对于航海的人和渔民还是很有参考意义的。因为从气象台知道了预报的风速，就能够大致估计出浪高，就会估计是不是适宜出海。风力等级和风速的关系对照表风级名称风速风压WO=V 2 /16 kg/m 2 ，10N/m 2 陆地地面物体象征海面状态浪高（M） km/h m/s 0 无风 1 0-0.2 0-0.0025 静，烟直上静 0 1 软风 1-5 0.3-1.5 0.0056-0.014 烟能表示方向，但风向标不动微波峰无飞沫 0.1 2 轻风 6-11 1.6-3.3 0.016-0.68 人面感觉有风，风向标转动小波峰无破碎 0.2 3 微风 12-19 3.4-5.4 0.72-1.82 树叶及微枝摇动不息，旌旗展开小波峰顶破裂 0.6 4 和风 20-28 5.5-7.9 1.89-3.9 能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动。轻浪白沫波峰 1 5 清风 29-38 8.0-10.7 4-7.16 有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波中浪折沫峰群 2 6 强风 39-49 10.8-13.8 7.29-11.9 大树枝摇动，电线呼呼有声，举伞困难大浪到个飞沫 3 7 疾风 50-61 13.9-17.1 12.08-18.28 全树动摇，迎风步行感觉不便巨浪破峰白沫成条 4 8 大风 62-74 17.2-20.7 18.49-26.78 微枝折毁，人向前行感觉阻力甚大狂浪浪长高有浪花 5.5 9 烈风 75-88 20.8-24.4 27.04-37.21 建筑物有小损狂浪浪峰倒卷 7 10 狂风 89-102 24.5-28.4 37.52-50.41 可拔起树来，损坏建筑物狂浪海浪翻滚咆哮 9 11 暴风 103-117 28.5-32.6 50.77-66.42 陆上少见，有则必有广泛破坏狂浪浪峰全成飞沫 11.5 12 飓风 118-133 32.7-36.9 66.42-85.1 陆上绝少，其催毁力极大海浪滔天 14 13 134-149 37.0-41.4 14 150-166 41.5-46.1 15 167-183 46.2-50.9 16 184-201 51.0-56.0 17 202-220 56.1-61.2 在图3上，我们看到的情形是在水面有起伏时，水面上的空气流动还是贴着水面流动的，也就是说空气的流动还没有产生漩涡。实际上，在波浪的形成的水面背风面陡度增加到一定程度，在浪的背风处就会有风的漩涡产生。如图5我们看到在波浪背风的地方产生了风的漩涡。我们知道漩涡中心的压强很小，所以那里的吸力更大。这就说明当波浪高到一定程度，波浪的形状便会是顺风的一侧更高。这种压差，一方面使波浪顺着风吹的方向前进，这就表现为行波，即波的高度不变，但它的波峰以一定的速度顺风前进；另一方面背风涡的压差使得波的形状愈来愈不对称，即背风面愈来愈陡，这种趋势不断发展下去波浪就会破碎产生如图7那样的效果。在实际中就会出现浪花、波浪倒卷、波浪翻滚、惊涛骇浪的情况。最后，回过头来说一说风和水面的摩擦力的问题。我们看到风引起的波浪起伏主要是由于风引起水面压强变化。原因是风与水面的摩擦力很小，是因为空气和水之间的黏性系数很小，只占次要的位置，所以在讨论风引起的波浪时可以忽略不计。还应当指出的是，如果有两种比重不同的流体，而且上面比重小的那一层在以一定的速度流动，两层流体之间也会有波动。这和风与水波的情形是类似的。在具有泥沙的水库放水时就有这种情形，这时，比重大的泥浆在下面，上面含泥沙较少的水流动，就会激起下面泥浆的波动。如果控制得好，就会把水库里的泥沙带走，使水库的泥沙沉积减缓。这就是平常说的异重流的问题。图6 波浪中背风的漩涡图中带箭头的线表示风的流动方向，黑箭头表示水质点运动方向，+、-号表示该处压强与平均压强为正还是为负。图7 波浪破碎所以，我们可以做结论说，风引起波浪主要是由压强变化而不是由摩擦力引起的。参考文献 https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_wave 王振东，风乍起，吹皱一池春水——谈流体运动的不稳定性，《力学诗趣》p.43-48（王振东、武际可著，湖北科学技术出版社，2013） Phillips,O. M. (1957), On the generation of waves by turbulent wind, Journalof Fluid Mechanics 2 (5): 417–445, Bibcode:1957JFM.....2..417P,doi:10.1017/S0022112057000233 Asin2 π（x/l — t/T） Miles, J. W. (1957), On the generation ofsurface waves by shear flows, Journal of Fluid Mechanics 3 (2): 185–204, Bibcode:1957JFM.....3..185M,doi:10.1017/S0022112057000567 附记：本文中的图片与表格，除图3外都来自网络。; 个人分类: 科普|32485 次阅读|26 个评论

科学家发现重力波验证爱因斯坦百年预言: 热度 4 ninglz 2016-2-12 06:27; 科学家发现重力波验证爱因斯坦百年预言美国激光干涉重力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）2月11日召开发布会，宣布首次侦测到爱因斯坦 100年前在相对论中预言的重力波。这一发现震惊了物理学界，或将改变人类的宇宙观。 LIGO 从双黑洞互相环绕，进而碰撞、融合成新黑洞的系统，观测到重力波的存在。这是广义相对论实验验证的最后一块拼图，也为观测宇宙提供了新途径，被物理学家称为过去 25 年来最重要的成就。爱因斯坦于 1915-1916 年发表广义相对论。经过 1 个世纪，其他预言如引力令光线弯曲、水星在近日点的移动幅度、引力红移等都先后得到证实。而由数千万光年外传到地球的重力波，拉长或压缩成一束 4 公里长的雷射光，幅度只有约一粒质子宽，所以极难侦测。爱因斯坦认为，时间和空间并非独立存在；在空间中的运动，也会影响到自己时间的流逝快慢。因为质量会产生引力，而当极大质量的物体在时空中加速运动时，就像水面上航行的船隻泛起涟漪。引力的变化会以光速和类似波的形式向外传播，称之为重力波。科学家现在主要透过观测无线电波和光波认识宇宙。但电磁波会因散射遗失大量资讯，重力波却不受阻碍，且能保持完整。尤其是极高质量密度的星体，如中子星和黑洞产生的重力波更是如此。中子星的大小与一个城市差不多，但内部结构还是个谜。电磁波进入黑洞也会消失。因此只有重力波才能帮助人们了解这两种天体。重力波还将有助于了解宇宙生成最初 20 万年的状况。; 个人分类: 研究发现|3527 次阅读|10 个评论

漫话内波（二）海洋内波的威力: 热度 3 池顺良 2011-10-18 22:11; 两种不同介质分界面上发生的波动称为内波。水面的波浪就是气态与液态介质之间界面的波动和变形。我们生活在大气中，所以能看到水面的波浪，也知道这些波浪大都是因风的作用而产生。海面之下，也会出现汹涌的波浪。当海水密度上下分布不均匀，两层海水的相对密度有差异时（如差值大于 O ． 1 ％），在外力扰动下，就会在两层海水界面上产生波浪。通常称这种波浪叫内波。这种波我们一般看不见，对它的了解就少。内波的波高，一般要比海面波高大得多，大的可达到几百米；内波的波长，一般有几百米，甚至万米以上。这用阿基米德原理是不难解释的，犹如在水中抬起重物，比由海面抬到空气中要省力很多。内波虽不像海面波浪那样汹涌澎湃，但它隐匿水中，常使人们防范不及，故有“水下魔鬼”之称。台湾大学海洋科学团队在南海观测到全球最大规模的内波，波高达 170 公尺有五十层楼高；底层强烈海流卷起的沙墙更有如大漠风暴，形成十六公尺高的沙丘。海洋内波是上下层密度不同流体的运动，可用流体动力学方程描述。形成内波的海水质点大致在平衡位置附近作椭圆形运动。其实海中的内波和海水的表面波都是界面波，它们没有本质的差别。表面波是发生在密度很小的空气和密度很大的海水之间界面上的波动，也是一种内波。海洋中的内波其恢复力主要是重力与浮力之差以及地转惯性力（或叫科里奥利力）。所以这种内波也是一种重力波或者叫做内惯性重力波。我国南海受潮汐作用激发，内波活动也相当活跃。以下 3 张图摘自北台灣科學技術學院通識教育中心許明光先生关于“南海内波”的介绍文章。让我们比较直观地看到了隐藏在海面下的内波活动。图 1. 內波的示意圖。上層與下層因温度、含盐量差别致使密度不同，當上層與下層之間的界面受到擾動就形成內波。图 2. 台湾海研二號研究船雷達所看到的南海中一排排的內波，可以看到 4 道內波的波峰線。 4 道内波波峰线大致互相平行地排布，与大河底的砂波、砂漠中的沙丘的平面分布形态相似。图 3. 台湾研究船上聲納系統在東沙環礁西邊淺海所看到的南海具有巨大振幅的內波，咖啡色及紅色部分是海底。在大河入海口或浮冰区，上层淡水和下层盐水由于密度不同形成分层流体系统。船行驶到这种水域，船的速度就不能高过淡水－盐水界面上内波的传播速度。因为任何的动力都被消耗于产生相当大振幅的内波上，船被上层流动的压力场紧紧地拘留在波峰上就像被钉在海面上一样。这时，和缓的海面下却隐藏着船舶动力激起的上层淡水和下层盐水交界面上汹涌的巨波。船舶在遇到这种场合时，受到极大的阻力。在航海术语中称为遇到了“死水”。 1893 ～ 1896 年北极探险过程中，探险队的 F. 南森发现船只莫名其妙地减速，就是遇到了 “死水” 。内波的破坏力，主要是产生内波的跃层上下，会形成两支流向正相反的内波流。这种内波流速可高达 1 ． 5 米／秒，犹如剪刀一般，破坏力极大。加拿大戴维斯海峡深水区的一座石油钻探平台，就曾遭内波袭击而不得不中断作业。海底输油管和电缆等的断裂很可能与这种作用有关。大振幅内波使等密度面发生快速大振幅上下起伏。若有潜艇或鱼雷等水下航行物体处于这种等密度面处，则它们将随等密度面的起伏而上下运动或骤然地上浮或下沉，使潜艇难以操纵。 1963 年 4 月 10 日，美国 “ 大鲨鱼”号核潜艇，在距马萨诸塞州海岸外 350 公里处突然沉没，艇上 129 人无一生还，事后经过对沉入海底，变成碎片的残核分析判断，下沉的原因是潜艇在水中航行时，遇到了强烈的内波，将其拖拽至海底而被压碎。我国也发生过类似事故，某潜艇在航行中突然从 8 米深处被拖至 80 米深处险遭不测。由此可见，这些分层流体系统具有高效吸收外界扰动能量的能力，在我们看不见的这些内波系统中蕴藏起巨大的能量，但因它们在我们视界之外而容易被我们忽视。　　; 个人分类: 大地构造|18116 次阅读|4 个评论

山抬风雨来，海啸风雨多—漫话海啸: 热度 8 zdwang 2011-4-22 08:34; 山抬风雨来，海啸风雨多 —— 漫话海啸王振东山抬风雨来，海啸风雨多。这是在（明）杨慎《古今谚 — 吴谚楚谚蜀谚滇谚》中收录的一句谚语，述及了地震（山抬）和海啸的灾害。世界最早记载海啸的文字，是我国《汉书》中关于西汉初元仁年 ( 公元前47年 ) 的一段记述 : “一年中，地再动，北海水溢流，杀人民”，叙述了发生在山东莱州湾地震后的海啸，这一记述被国内外学者认为是世界最早记载海啸的文字证据，并被广泛引用。之后过了 500 多年，才有日本四国以南海底地震引发的海啸文字记录。在我国的历史资料中，有不少关于海啸的记载。其中较详记述的事例有：康熙《苏州府志》记载，1670年8月19日，“地震有声，海潮溢，滨海民多溺死”；1781年5月22日，台湾岛西南遭受大型潮灾，被认为是遭受了一次破坏性大的海啸；1867年12月18日，台湾基隆近海发生7级地震，同治《淡水厅志》中称“海水暴涨，屋宇倾坏，溺数百人”，是一次记载确切的海啸；1917年1月25日，福建厦门、同安一带“地大震，海潮退而复涨，渔船多遭没”。日本东北部近海 2011 年3月11日发生的9 . 0级地震，引发了伴生海啸的严重灾难，几乎袭击了日本列岛太平洋沿岸的大部地区，仙台新港等太平洋沿岸出现了10m高的大海啸，死亡1万多人，失踪1万多人，还引发了福岛核电站的核泄漏事故，引起了人们对海啸灾害的关注，本文从力学角度讨论了海啸的形成原因，以及与海啸有关的一些问题。日本是世界上海啸最多的地区海啸在许多西方语言中称为“ tsunami ” ，它由日语中“tsu”和“nami”两个词组成的，“tsu”的词意是海港，“nami”的词意是波浪。此词源自日文“津波”，即「港边的波浪」（津，是港口；波，指水流）。国际科学大会于 1963年决定采用这一词汇来表示海啸。除北冰洋外，地球上的其他三大水域即太平洋、大西洋和印度洋，都多次发生过海啸，也都有重大灾难性海啸的记录。太平洋有着世界上最大的地震带即环太平洋地震带，全球80%的地震发生在这里，而太平洋岛弧 —— 海沟地带发生海啸次数亦最多，占全球有史可考的海啸记录的85%。日本近海发生的海啸又占太平洋海域的一半以上，是世界上海啸最多的地区，近500年来太平洋7次特大海啸中的4次都出现在日本。海啸是是一种具有强大破坏力的海浪，海啸的波速高达每小时700～ 9 00 km ，用不了一天时间就能横过大洋；波长达数百千米，可以传播几千公里而能量损失很小；在茫茫大洋里波高不足一米，但当到达海岸浅水地带时，波长减短而波高急剧增高，可达数十米，形成有巨大能量的破坏性 “水墙”。海啸的水墙每隔数分钟或数十分钟重复一次。呼啸的巨浪，以催枯拉朽之势，越过海岸线，越过田野，迅猛地袭击着岸边的城市和村庄，瞬时使生命财产都消失在巨浪中。港口的设施，被摧毁的建筑物，在狂涛的洗劫下，被席卷一空。事后，海滩上一片狼藉，到处是残木破板和人畜尸体。日本东北地区海域 2011年3月 11日下午发生里氏 9.0 级的大地震，地震震源深度约24 km ，地震发生后五六分钟，海面至少上升了3.5 m 。震后仅30分钟，就有3 m 高的海啸到达了陆地。引发的海啸几乎袭击了日本列岛太平洋沿岸的所有地区，仙台新港等太平洋沿岸各地出现了10 m 高的大海啸，福岛核电站还发生了核泄漏灾害。海啸的形成原因可以导致形成海啸的原因有三个：地震、海底火山爆发或海底崩塌、以及宇宙天体的影响。地震是引发海啸的主要原因，地震的伴生灾害中最具破坏力的就是海啸。通常认为：海啸由震源在海底下50 km 以内、里氏6.5 级以上的海底地震引起。当地震发生时，地壳运动造成海底板块变形、断裂，板块之间出现滑移，使部分地层猛然出现抬升或下沉，由此造成从海底到海面的整个水体发生剧烈“抖动” 。这种“抖动”与平常所见到的海浪大不一样。一般海浪只在海面附近起伏，涉及的深度不大，波动的振幅随水深衰减很快。地震引发的海水“抖动”则是从海底到海面整个水体的波动，其所含的能量惊人，引发海水开始大规模的运动，形成海啸。海水水体抖动与用石头砸水时在水面出现的一圈圈向四周扩散的水波有类似处，它们都是水面受到扰动后，在重力作用下往四周传送的波动，这类波动在流体力学中称为 “ 重力波 ”。但小石头砸水的能量很小，引不起大的波浪，更引不起海啸。只有当很大体积的水体突然抬升或者下沉，才能引发海啸。能有这么巨大能量的，除了海底地震之外，还有海底火山爆发、海底大面积崩塌，以及陨石堕落，这些过程释放的能量都非常惊人。不过，并不是所有地震都会引起海啸。如海底地震只是板块水平滑移断裂，并未造成突然的水体抬升或下沉，也不致引起海啸。海啸不同于风浪波。风浪波的周期(两个连续波之间的时间间隔)通常只有5至20秒，波长(两个连续波之间的距离) 只有 100至200米。而海啸的周期范围为10分钟至2小时，波长可超过500km 。由于海啸的波长特别长，它在传播过程中，能量损失很少，所以在很深的海水中，海啸可以高速度、低能耗穿越大洋。比如，在 6. 1k m深的海洋中，海啸将以每小时890km的速度传播,这种速度与喷气式飞机的飞行速度相当，从太平洋的一边到另一边，只需不到一天的时间。海啸脱离深海的水域传播到海岸边浅水的地方时，随着水深的减小，其传播速度随之削弱，但海啸的能量保持不变。当海啸波进入大陆架浅海，因深度急剧变浅，能量集中，波高会骤然增大，成为极其迅速的升降潮和具有破坏性的连续大浪。当海啸发生时，海浪高出海面的高度，称为到达高度，可达到几十米。大量的海水能伸展到内地350m或更远，将人和大量的物体挟带到大海中。海啸来袭之前，为什么有时海水会突然先退到离沙滩很远的地方，一段时间之后海水才重新上涨？这是因为海啸冲击波的波谷是波浪中最低的部分，它如果先登陆，海面势必下降。同时，海啸冲击波又不同于一般的海浪，其波长很长，当波谷登陆后，要隔相当一段时间，波峰才能抵达。另外，这种情况如果发生在震中附近，那也可能是地震使海底地面有一个大面积的下降和抬升，地震区附近海域的海水也随之下降和抬升，然后就形成了海啸。海底山崩塌方则是因地震或海底火山爆发所引致，山崩塌方落下的沉积物和岩石也会导致大规模海水的运动，从而引发海啸。里氏6.5 级以下的地震也可能会引发海底火山爆发或海底山崩塌方，形成海啸。因宇宙天体的影响而诱发海啸的情况并不常见，但陨石坠落海洋中会激起波浪，当陨石激起的波的能量足够强大时，也能引发海啸。而且陨石造成的海啸在任何水域都有机会发生，不一定在地震带。一些科学家认为，在6500万年前小行星曾撞击地球造成毁灭恐龙的“K-T灭绝事件” ，就曾经导致了全球范围内的大海啸。相对受灾现场讲，海啸可分为遥海啸和本地海啸。遥海啸也称为越洋海啸，是指横越大洋或从很远处传播来的海啸。海啸波属于海洋长波，一旦在源地生成后，在无岛屿群或大片浅滩、浅水陆架阻挡情况下，一般可传播数千公里而能量衰减很少，因此可能造成数千公里之遥的地方也遭受海啸灾害。如 2004 年 12月发生在印尼的大海啸就波及到几千公里外的斯里兰卡， 1960 年 5 月智利海啸也曾使数千公里之外的夏威夷、日本都遭受到严重灾害。海啸的大多数均属于本地海啸或称为局地海啸。因为本地海啸从地震及海啸发生源地到受灾的滨海地区相距较近，所以海啸波抵达海岸的时间也较短，只有几分钟，多者几十分钟。日本东北部 2011 年3月11日大地震引起的海啸就是这种情况，海啸预警时间很短，往往造成极为严重的灾害。百年来的八次大海啸据统计，20世纪以来，全世界共发生 8 次死亡人数过千的海啸灾害。一、1908年12月28日，意大利墨西拿地震引发海啸，震级7．5级。在近海掀浪高达12米的大海啸，死难8．2万人。二、1933年3月2日，日本三陆近海地震引发海啸，震级8．9级，引发海啸浪高29米，死亡3000人。三、1959年10月30日，墨西哥海啸引发山体滑坡，死亡5000人。四、 1960年5月21月到27日，智利沿海地区发生20世纪震级最大的震群型地震，其中最大震级8．4级，引起的海啸最大波高为25米。海啸使智利一座城市中的一半建筑物成为瓦砾，沿岸100多座防波堤坝被冲毁，2000余艘船只被毁，造成1万多人丧生。五、1976年8月16日，菲律宾莫罗湾海啸，死亡8000人。六、1998年7月17日，非洲巴布亚新几内亚海底地震引发的海啸，造成2200人死亡。这次海啸是因地震引发海底滑坡塌方引起的。七、 2004年12月26日印度尼西亚苏门答腊岛附近海域发生地震引发大海啸。苏门答腊地震造成的当地直接损失并不大，但其引发的海啸却造成印度洋沿岸十多个国家20多万人死亡或失踪，这可能是全世界近200多年来死伤最惨重的海啸灾难。八、 2011 年3月11日日本东北部9 . 0级地震引发海啸，死亡1万多人，失踪1万多人，并引发日本福岛核电站的核泄漏灾害。海啸减灾的一些考虑人类虽然仍无法准确预报地震的发生，因而也无法预测海啸的发生，但是在地震发生之后，已有能力向大洋沿岸地区发出海啸的预警，从而起到减轻灾害的作用。首先要建立海啸的全球预警系统。地震波在地球内部的传播速度大约是每秒 6 ～ 7 km，而海啸的传播速度仅是每小时700～ 9 00 km 。可以利用地震波传播速度与海啸传播速度的差别形成的时间差分析地震波资料，快速准确地测定出地震参数，并与预先布设在有可能产生海啸的海域中的传感计（有布设在海面上的传感计，也有安置在海底的传感计）的记录相配合，就有可能判断该地震是否激发了海啸、海啸的规模有多大。然后，根据实测水深图、海底地形图及可能遭受海啸袭击的海岸地区的地形地貌特征等相关资料，模拟计算海啸到达海岸的时间及强度，再用卫星、遥感、雷达等技术监测海啸在海域中传播的进程、采用现代信息技术将海啸预警信息，及时传送给可能遭受海啸袭击的沿海地区的居民，让可能受到影响的国家和地区做好迎接海啸到来的准备。其次，要在可能遭受海啸袭击的沿海地区，开展有关预防和减轻海啸灾害的科技知识的普及宣传教育，并进行应对海啸灾害的训练和演习。这样，就可在海啸到来时，拯救人的生命和避免财产损失。第三，沿海区域的植被，如红树林等能大为缓解海啸的危害。因此，保护沿海区域的生态环境，除了生态方面的好处，对海啸减灾也是大有帮助的。有的国家和地区还采用建高墙的方式来抵御海啸，不过因为成本的问题，墙难以能修的太高，只能阻挡些小的海啸。（己刊登于《力学与实践》2011牟33卷2期）; 个人分类: 力学诗话|19277 次阅读|15 个评论

高频地波雷达简介（三原理）: suliantuo 2010-3-31 00:27; 无线电波朝海面发射时，在海水表面会存在一种电磁波传播模式，称为地波(Ground Wave)是一种表面波(Surface Wave)，因此高频地波雷达也叫做高频表面波雷达(HF Surface Wave Radar)。在中波和短波段海水表面的地波传播衰减很小，而且地波在一定程度上会沿着弯曲的地球表面传播，到达地平线以下很远的地方，即实现超视距传播。因此利用地波超视距传播特性进行探测的高频地波雷达也称为地波超视距雷达(Over-The-Horizon Radar)，探测距离根据发射功率和频率的不同通常可达到200～500km。另外两种类型的超视距雷达分别是天波超视距雷达和利用大气波导特征的微波雷达，前者通过电离层对高频无线电波的反射实现对数千公里外目标的探测，后者可以对一两百公里外的目标进行探测。地波雷达海况探测的基础类似于晶格对X射线的Bragg散射，如图1所示，从左上方入射的两条射线（相同波源）被原子散射，在特定的观察方向上，如果两条射线的波程差为2 的整数倍，那么将会观察到亮条纹；如果波程差比2 的整数倍多，那么两射线能量相消，观察到的是暗条纹。图1 Bragg散射示意图单列正弦海浪对电磁波的后向散射与此类似，如图2，从左上方入射的电磁波被正弦海浪散射，观察方向与入射方向相同，类似于Bragg散射的道理，当 L cos = / 2时（此时相邻射线的波程差为2 ），会观察到增强的散射。图2 单列正弦海浪对电磁波的后向散射真实的海面不会是如图2所示的简单正弦波列，但是可以用类似于Fourier变换的方式把一个真实的海面分解成为千千万万简单正弦波列成分的叠加，如图3所示，这些正弦波列有不同幅度、周期、初相和传播方向。那么这无数列正弦海浪成分是否都对电磁波产生散射呢？当然都会！但是并非所有的成分都产生相同的贡献，贡献最大的海浪成分还是图2所示的那类正弦波列，即满足L cos = / 2 并且波矢量方向位于电磁波入射平面内的正弦海浪。对于岸基雷达探测， = 0?，即L = / 2，也就是波长等于雷达电波波长一半的海浪会对电波产生最强的后向散射（图4）。图3 真实海面可看成无数简单正弦波列成分的叠加图4 岸基地波雷达探测原理示意图综上所述，虽然海面由无数的波浪组成，但岸基地波雷达主要只对特定的海浪感兴趣： A. 波长等于电波波长的一半； B. 传播方向要么接近雷达，要么远离雷达。海面上满足上述条件的海浪总是存在，因此雷达总可以收到较强的海面回波，这也是前面所说当初人们发现海面上总是存在雷达干扰的原因！我们知道运动的物体可以对入射波产生多普勒效应，电磁波照射到动态的海面上时，回波也会由于多普勒效应而产生相对于雷达发射频率的偏移。对回波信号进行谱分析就会发现，回波谱峰相对于雷达载频有多普勒频偏，如图5所示，其特点有二： 1. 同时存在正、负频偏，频谱图上的正、负谱峰称为左、右Bragg峰； 2. 左、右Bragg峰的频率偏移量基本相同，且主要只与雷达工作频率有关。导致这两个特点的因素正好与上述产生主要散射的海浪特点相对应：特点1对应上述特征B，特点2对应上述特征A。在理解特点2时需要明白海洋重力波传播的一个基本结论：海面上确定波长的重力波，其传播相速度也是确定的。相速度确定的话，它对电磁波所产生的多普勒频移就是确定的了，也就有了上述特点。图5 OSMAR地波雷达回波谱特征及其与海面动力学参数的对应关系上面所说的是没有海水流动的情形。由于各类物理、化学过程的作用，海面上总是有海流存在，海流作为海水的整体运动，会在上面所说的由波浪传播相速度所导致的较大固定频移的基础上再附加一个由流速所导致的微小频偏，这个附加频偏对左、右Bragg峰的影响是相同的：远离雷达的流速分量使左、右Bragg峰均向负频率方向偏移，接近雷达的流速分量使它们向正频率方向偏移（参见图4）。地波雷达就是通过测量这个附加频偏从而获知海面海流速度的。当然一部雷达只能测量到海流的径向分量，要获得矢量海流，要么用两部以上的雷达从不同方向探测，要么就需要结合海洋动力学模型进行推算。除了海流信息之外，图5中还标明了海面波浪、风向及风速信息与回波谱特征的对应关系，地波雷达就是通过这些特征的分析反演得到海面动力学参数分布信息的。; 个人分类: 做事|17097 次阅读|0 个评论

调一杯恒星鸡尾酒: songshuhui 2008-9-2 10:55; Shea 发表于2008-08-16 星期六 16:43 分类: 天文 | | Cornine Charbonnel、Suzanne Talon　文 Shea 译与地球大气层中极为相似的波也许强烈地影响着太阳和其他恒星的结构。　　为了在计算机中模拟一颗恒星，你必须要有能表述在引力作用下气体运动的方程组。你还必须要包括核反应，因为它们会释放出能量并且制造出比氢更重的元素。另外，无论是通过光子、电子或者是物质的运动，你还必须知道能量是如何在恒星内部传输的。最后，你还得让恒星转起来，以便产生内部的物质流动和化学元素分布。然后你会看到你的恒星开始演化，并且呈现出真正恒星所具有的主要观测特征，例如整体温度和光度。但是，你的恒星模型还存在问题。尤其是你无法描述太阳这样一颗我们再熟悉不过的慢自转恒星的内部结构，同时你也无法解释类太阳恒星表面的化学组成。那么，到底哪儿出了问题呢？：太阳（左）和大质量恒星（右）内部结构的示意图。其中画有小漩涡的地方为对流区，在那里能量通过物质的大尺度运动来传递。而在辐射区，能量则通过光子来传递。红色代表快自转，蓝色代表慢自转。太阳的对流区会产生向内传播的重力波，而大质量恒星产生的重力波则会向外传播。但无论是哪种情况，在辐射区和对流区的边界都会形成一个剪切振荡层。　　最严重的问题是，你的模型没有考虑能使得恒星内部自转刚化并且削弱由于流体力学不稳定性所产的内部湍流的物理机制。为了更好地了解这些效应，天体物理学家们从地球大气物理学家们那儿找到了灵感。20世纪60年代，大气物理学家们被地球赤道上空同温层风速的准两年周期振荡所吸引。林岑（R. S. Lindzen）和霍尔顿（J. R. Holten）证明这是由于波诱发的动量传递所导致的。同时，这一机制可能也和恒星内部的过程有关。　　造成这一振荡的主要是内部重力波。这些波主要存在于分层的介质中，例如地球大气层，其中的重力波是由附近的湍流所触发的。这些波是我们大气层中其他一些现象的重要组成部分。例如，它们直接造成了会清空空气的湍流，这些湍流会直接危及飞机的安全。另外，由于自身的耗散，它们还会造成同温层突然升温。它们共有的重要特征是无法使用耗散过程来描述其造成的动量传递。　　在恒星内部，重力波的有趣特性是它会激发其自身所形成区域的角动量并且降低其消失地的角动量。这一传递的非局域性使得其成为了非常有效地塑造气体内部转动的机制。重力波是在对流区内部形成的，然后传播并且消失在辐射区，其运动的距离取决于它们的波长和频率。根据其传播方式是逆着还是顺着恒星自转方向，这些波还可以分为逆行和顺行两种。同时，这些波也可以沿着径向运动，从对流区的边界进入辐射区。较差自转所导致的重力波频率的多普勒频移对于分别传递正角动量和负角动量的顺行和逆行波而言是不同的。其结果是类似地球大气中准两年周期振荡的局部振荡剪切运动。这一局部的剪切作用就好像一张滤网，会过滤掉波长较小的波，而让能够传递角动量进而消除辐射区和对流区转动差异的长波通行无阻。　　由于其对流区占了半径的30%，太阳内部重力波的影响已经得到了广泛的研究。这些波导致的振荡出现在下方与辐射区毗邻的地方，厚度大约为半径2%，周期大约为10年。和所有低质量恒星一样，太阳对流区的转动在其幼年时被减慢了，因此其核心会比其表面转得快得多。这会有利于逆行的重力波，它们会使得年轻太阳的核心在几亿年的时间里减速。在这一框架下，太阳从内而外应该有着较为平滑的旋转曲线（旋转曲线描述了转动速度和半径之间的关系），这与日震学观测结果相符。因此，太阳具有较弱的流体力学不稳定性，由此导致的表面化学组成与光谱观测吻合。　　但是我们在多大程度上可以信赖这个模型呢？多亏了地球大气物理，我们了解了重力波的特性，例如相速度、群速度以及衰减。不过，对流湍动形成重力波的效率目前还不确定。时至今日，恒星模型中对对流的描述还十分的粗糙。其结果就是，恒星内部由对流所激发的重力波的波谱目前仍然不清楚。为了进一步了解重力波产生的过程，我们期待着未来对恒星内部对流三维模拟的结果。尽管如此，我们也不是一无所获。我们所采用的一维模型复制出了在日震学中观测到的太阳压力波的功率谱。此外，恒星内部转动速度的长期演化并不强烈地依赖于具体的重力波功率谱，或者是精确的重力波能量注入率。　　那么其他的恒星呢？随着恒星质量和年龄的变化，对流区的结构和位置也会跟着改变。由此，重力波会由于我们观测到的恒星的不同在不同程度上改变恒星的特征。对于质量大于太阳的恒星而言，它们具有对流的核心区，重力波会向表面传播，在恒星表面造成强烈的剪切运动并且使得化学成分在广阔的区域上均匀分布。然而，重力波对整个恒星自转的长期影响还有待进一步研究。另一个充满希望的领域是研究对流区厚达半径95%的年老恒星。其中的重力波也许会在恒星迈向死亡时抵抗其核心的坍缩。通过在恒星内部深层产生振荡剪切，重力波可能还会在恒星演化的最后阶段影响它的核燃烧。这或许有助于解决观测到的恒星晚期化学分布这一长期悬而未决的问题。　　一点一点地，重力波在恒星物理学家们中间受到了重视。重力波已经被应用在了同步双星中，它们被怀疑在其间起到了输运粒子的作用。10年前，当重力波为太阳内部自转问题提供了漂亮解答时它仅仅是粉墨登场，而现在重力波已经成为了现代恒星模型中重要的组成部分。标签：恒星模型 , 重力波; 个人分类: 天文|1308 次阅读|0 个评论

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标签: 重力波

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