圖1. 水中的漩渦。（圖片來自網路）
漩渦在日常生活中經常可以看到。流動的河水或者海水中經常會有漩渦。這些漩渦的基本形態就是旋轉著往下沉的水流，大的漩渦可以把人甚至更大的物體捲走。空氣中，尤其是牆角，經常有柳絮被漩渦卷著，旋轉著飛翔，過一會兒，旋轉的漩渦要麼因散開而消失，要麼因減速而沉降下來。大海上，經常會有低氣壓區，那裡的氣壓要比正常的氣壓低1%左右，這種大約1000帕斯卡的氣壓差會驅動空氣從高氣壓區向低氣壓區流動，而地球的自轉又與這種空氣流動相互耦合，形成科里奧利力，向中心流動的氣流又在科里奧利力的作用下偏轉，從而形成席捲幾千公里的大漩渦——颱風。
圖2. 海面上席捲幾天公里的大漩渦。（圖片來自網路）
除了這些旋轉著的大小漩渦，空氣中還會有一種渦旋，叫做Kelvin-Helmholtz渦旋，這種渦旋的特點除了旋轉的氣流，還有一個特點就是週期性，有幾個渦旋週期性的排成一排，非常壯觀，又非常優美。這種渦旋是由於兩團氣流的流動速度不同而引起的。不僅空氣中，海面上的波浪，是由於風吹過海水錶面，引起了波浪的不斷增強，到了一定程度，就會發展成渦旋，浪尖上因受到重力而託不住的部分就會破碎下來，形成海浪的“白帽子”。無論是空氣中還是海面上，由於速度差引起的介面的不穩定性，稱為Kelvin-Helmholtz不穩定性，而Kelvin-Helmholtz渦旋就是這種不穩定性的表現形態，其基本特徵是流體的旋轉流動和週期性。
圖3. 空氣中優美而壯觀的Kelvin-Helmholtz渦旋。（圖片來自網路）
Kelvin-Helmholtz渦旋的得名，是緣於兩位科學家各自對這一現象做出了系統的、先驅性的和開創性的研究，科學界出於對他們所作貢獻的尊重而以他們的名字（其實是姓氏）來命名這種現象。其中一位是英國科學家開爾文勳爵（Lord Kelvin，1824-1907）。這個名字聽起來似乎和溫度有關？沒錯，他就是創立了開爾文溫標的那位開爾文，他的科學成就涉及熱力學、流體力學、電磁學等很多領域。開爾文的原名其實是W•湯姆森（William Thomson），因為主持大西洋海底電纜鋪設而被英王封為開爾文勳爵，後來他就接受了這個新的名字。另一位是是德國科學家H•核姆霍茲（Hermann von Helmholtz，1821-1894），他最早是一位生理學家，後來轉向了物理學，提出了著名的能量守恆定律，從而否定了當時流行的永動機設想。著名的核姆霍茲線圈就是以他的名字命名的一種元器件。
圖4. 海浪的“白帽子”。（圖片來自網路）
關於流體渦旋，他們各自對這一現象進行了開創性的研究。相對而言，核姆霍茲的研究更多地具有定性的特徵，而開爾文的研究更注重定量研究。核姆霍茲斷言，在沒有表面張力的情況下，只要介面上存在速度差，不管這種速度差有多小，都會激起介面的不穩定性。而實際上，這種理想情況是不存在的。表面張力會對介面的擾動起到抑制作用，因此需要足夠大的速度差才可以激起介面的不穩定性，從而進一步形成渦旋。開爾文透過複雜的數學推導，給出了可以引起介面不穩定的最小速度差的數學表示式。按照這個表示式，以風吹過平靜的海水錶面為例，可以算出這個最小速度大約是6.52米/秒，相當於4級風。當海水錶面風速大於這個速度，海水錶面將上下震盪並且自我放大，形成波長大約1.7米、傳播速度大約0.82米/秒的表面波。海水錶面波動的自我放大，就意味著一種不穩定性，被稱為Kelvin-Helmholtz不穩定性。
在核姆霍茲和開爾文兩位科學家開創性工作的基礎上，後人在風洞中繼續研究風吹過液體表面時所發生的現象，證實了確實存在一個速度臨界點，當風速超過這個臨界點，本來溫和波動的液體表面，突然變得暴躁起來，形成了許多破碎的浪花，這就是Kelvin-Helmholtz不穩定性增長到非線性階段的表現形態——Kelvin-Helmholtz渦旋，即風急浪高，浪峰倒卷，浪尖上因受到重力而託不住的那部分流體，就將破碎成浪花。
圖5. 內卷的泡泡：歐洲空間局的星簇衛星觀測到的泡泡邊緣的Kelvin-Helmholtz渦旋示意圖和計算機模擬圖。（圖片來自《自然》，致謝作者H. Hasegawa）
日常生活中看到的Kelvin-Helmholtz渦旋也會發生在太空中。太空並不是空的，而是充滿了稀薄的電離氣體，即等離子體。這些等離子體又與磁場緊緊黏在一起，在太空中各自佔有自己的地盤。大部分行星和恆星，都有自己的磁場，它們靠著自己的磁場，抵抗著太空中迎面吹來的等離子體，在太空中吹出了一個個空靈的神秘泡泡。這些泡泡的外側，是高速流動的外來等離子體，而泡泡內側，則是速度相對低很多的“本地”等離子體。這樣，泡泡的邊緣，就存在著很大的速度差，也叫速度剪下。按照核姆霍茲和開爾文的研究結果，當這種速度差超過某一個數值時，就會引起泡泡邊緣介面的劇烈擾動，這種擾動進一步自我放大，就會形成渦旋。這種渦旋也和空氣中以及海水錶面的渦旋一樣，具有流體旋轉運動和週期性排列的特徵。
以我們的地球為例，地球由於液態地核的旋轉運動，形成自己的磁場，由於地球所產生的磁場被太陽風包圍著，而太陽風又與來自太陽的磁場緊緊黏在一起，因此，當太陽風以我國高鐵速度4000倍的高速衝向地球時，地球磁場就像一把傘一樣撐開，把太陽風及其攜帶的太陽磁場阻擋在外面，從而在太陽風中吹出了一個泡泡，把地球的磁場、大氣層和地球本身統統包裹在泡泡裡面，保護得嚴嚴實實。由於等離子體和磁場緊緊黏在一起，就像凍住一樣，地球吹出的泡泡，就會使泡泡裡面與外面清楚地分隔開來，泡泡的邊緣，就稱為磁層頂。除非發生特別的事情（比如磁力線斷裂和重新連線、等離子體與某些波動共舞、或者太陽風穿上了夜行衣趁著風急浪高悄悄潛入地球磁場的地盤等等），來自太陽風與來自地球等離子體各自黏住各自的磁場，各自佔有各自的地盤，井水不犯河水。由於太陽風速度很大，泡泡內外速度差很大，就在泡泡邊緣上激起了Kelvin-Helmholtz不穩定性，這種不穩定性進一步增長，就會形成泡泡邊緣上的渦旋，使泡泡向內卷。由於磁場的存在，這種內卷更容易發生在泡泡的側翼，並且沿著太陽風吹拂的方向傳播，形成一連串向內卷的渦旋，這就是 “內卷”的泡泡。
圖6. 內卷的泡泡：THEMIS衛星觀測到的泡泡邊緣的Kelvin-Helmholtz渦旋示意圖。（圖片來自美國地球物理學會EOS，致謝作者Q.Q. Shi）
那麼，說好的白帽子浪花呢？別急，等那些"特別的事情"發生的時候，我們暗中觀察，看看就明白了。
- 作者資訊 -
大雁，有情懷的空間物理學博士，關注科普的一線科學家。
排版 | 弢弢
稽核 | 六朵 蒼翼蝴蝶 蘇蘇
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