泡泡風暴 - 肥皂膜上的大氣模型


Soap bubbles recreate Jupiter's turbulent storms


Sciscape 科景編輯 C.Y.Chuang 報導


法國波爾多第一大學(Université Bordeaux 1)的物理學家在半球形的肥皂膜上製造出旋渦圖像,可用來模擬木星大紅斑及地球颶風等等的大氣現象。



圖1. 肥皂泡泡上面的漩渦



圖2. 木星大紅斑(Great Red Spot)



圖3. 肥皂泡泡上面的漩渦


相對於行星的直徑,環繞在行星外的大氣層顯得非常薄,可視為二維結構。同樣的,肥皂膜也有此特性,所以被拿來作為大氣對流的模型。過去已有人在肥皂膜上製造出紊流圖像,但出現的是一對旋轉方向相反的氣旋,並非大自然中出現的單一旋風,無法用來解釋自然現象。

在近期發表的 Physical Review Letters 中,法國 Kellay 帶領的研究小組成功地利用熱對流,在肥皂泡泡上發展出單一氣旋。他們用吸管吹出一個直徑約十公分的半球形肥皂泡泡,從底部加熱,藉由溫度梯度的差異,使得較溫暖的肥皂溶液往上跑,形成對流旋渦。過程中使用數位攝影機記錄肥皂膜上的流動速度,並且由膜的顏色分析出厚度變化,發現皆與前人的實驗相差無幾,但為何這次 Kellay 的研究小組可以看到如同自然界中的單一氣旋呢?原來差異處就是 Kellay 的實驗裝置沒有拘限肥皂液的側牆,因此 Kellay 認為是側牆的邊界效應使得前人的系統不同於自由流動的大氣,阻礙了紊流的形成。





接著,他們將肥皂膜上記錄到的統計數據與幾個颶風的行進路線相比。從位移來看,肥皂膜旋渦受到底部熱氣流的衝擊,呈現每秒位移一公分的隨機運動;相較之下,颶風的路線因科氏力(coriolis force)的影響,明確許多,兩者似乎沒什麼關係。然而,從平均平方位移來看,肥皂旋渦和颶風路徑竟擁有相同的指數形式,展現出極大的相似度。

這個結果表示,我們可以由如此的小實驗裝置研究大尺度的天氣現象,若能更進一步發展理論模型,可望促成大氣科學的重要進展。



原始報導:
科景 - 物理:泡泡風暴--肥皂膜上的大氣模型


原始論文:
F. Seychelles, Y. Amarouchene, M. Bessafi, and H. Kellay, Phys. Rev. Lett. 100, 144501 (2008)




參考來源:
Physics News Update: Soap-Bubble Jupiter.
NewScientist: Soap bubbles recreate Jupiter's turbulent storms