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物理:浴缸物理学--肥皂膜上的大气模型 [转贴 2008-05-30 17:32:07]  删除... 
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编辑 C.Y.Chuang 报导

    法国波尔多第一大学(Université Bordeaux 1)的物理学家在半球形的肥皂膜上制造出旋涡图像,可用来仿真土星大红斑及地球飓风等等的大气现象。

    由于行星的大气层宽度范围比厚度大得多,可视为二维结构。同样的,肥皂膜也有此特性,所以被拿来作为大气对流的模型。过去已有人在肥皂膜上制造出紊流图像,但出现的是一对旋转方向相反的气旋,并非大自然中出现的单一旋风,无法用来解释自然现象。
在近期发表的Physical Review Letters中,法国Kellay带领的研究小组成功地利用热对流,在肥皂泡泡上发展出单一气旋。他们用吸管吹出一个直径约十公分的半球形肥皂泡泡,从底部加热,藉由温度梯度的差异,使得较温暖的肥皂溶液往上跑,形成对流旋涡。过程中使用数字摄影机记录肥皂膜上的流动速度,并且由膜的颜色分析出厚度变化,发现皆与前人的实验相差无几,但为何这次Kellay的研究小组可以看到如同自然界中的单一气旋呢?原来差异处就是Kellay的实验装置没有拘限肥皂液的侧墙,因此Kellay认为是侧墙的边界效应使得前人的系统不同于自由流动的大气,阻碍了紊流的形成。

    接着,他们将肥皂膜上记录到的统计数据与几个飓风的行进路线相比。从位移来看,肥皂膜旋涡受到底部热气流的冲击,呈现每秒位移一公分的随机运动;相较之下,飓风的路线因科氏力的影响,明确许多,两者似乎没什么关系。然而,从平均平方位移来看,肥皂旋涡和飓风路径竟拥有相同的指数形式,展现出极大的相似度。

    这个结果表示,我们可以由如此的小实验装置研究大尺度的天气现象,若能更进一步发展理论模型,可望促成大气科学的重要进展。
原始论文

F. Seychelles, Y. Amarouchene, M. Bessafi, and H. Kellay, Phys. Rev. Lett. 100, 144501 (2008)
参考来源: 
. Physics News Update: Soap-Bubble Jupiter. 
. NewScientist: Soap bubbles recreate Jupiter's turbulent storms

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