7年前，科學家使用先進的雷達，在南極上空高層大氣中發現了一些神奇的漣漪，并將其確認為大氣“慣性重力波”。

事實上，慣性重力波并不罕見，經常出現在地球大氣的不同區域和高度上，維持時間很短，稍縱即逝。但科學家在南極上空(高度為50至80千米)發現的慣性重力波卻可以維持時間長達10小時，強度也超過地球其他地區。南極慣性重力波的這些特殊性一直困擾著大氣科學家們，不斷有人對其機理提出各種推測和解釋。

最近，當年發現該現象的研究團隊試圖對這一現象進行解釋，并將成果發表在《地球物理學研究：大氣》期刊上。

那么，到底什么是慣性重力波，為什么南極慣性重力波的維持時間和強度遠大于地球其他區域?記者就此采訪了中科院大氣物理所低層大氣探測研究部主任鄒捍。1988年他參加過南極科學考察，對南極大氣有較為深入的研究。

到底什么是慣性重力波

鄒捍告訴科技日報記者，地球上的任何一個物體都會受到向下的地球引力即重力的影響。漂浮在液體或氣體中的物體都受到向上的浮力。當重力和浮力平衡的時候，這個物體就平穩地懸浮在液體或氣體中。比如，給氫氣球加上適當的配重，它可以懸浮在空氣中任意的高度上。在氫氣球的重力和浮力達到平衡后，對它施加一個外力，比如用手輕輕地將其向下拉動一下，它就會在空氣中上下跳動。

事實上，地球大氣層也是由具有不同密度的氣塊組成的，低層氣塊的密度大，高層氣塊的密度小。如果沒有外力擾動，這些氣塊處于重力和浮力平衡中，穩定懸浮在自己的位置上。

“如同上面所說的氫氣球，氣塊如果受到垂直方向的擾動，它們將圍繞自己的平衡位置震蕩。”鄒捍說，這種上下震蕩被稱為重力波。重力波導致的大范圍大氣垂直運動，可以使大氣水分凝結，形成高層帶狀云系，形似漣漪，非常壯觀。

由于地球自轉，地球上任何水平運動的物體都會受到一種慣性力——科里奧利力。在科里奧利力作用下，在北半球做水平運動的物體會向右偏轉，在南半球則向左偏轉。

在真實大氣中，大氣重力波不僅有垂直方向的震蕩，也存在水平方向的震蕩。在科里奧利力作用下，重力波的水平往復運動將獲得與運動方向正交的慣性震蕩。這種受到地球自轉慣性作用影響的重力波，被稱為“慣性重力波”。

但鄒捍說，從慣性重力波運動本質看，它是空氣質點在地球重力和浮力作用下的震蕩，是經典力學中的波動現象。它與引力場在太空中傳播形成的引力波無關，更與不同引力波相干涉產生的“漣漪”風馬牛不相及。

南極慣性重力波為何與眾不同

一個值得關注的現象是，南極慣性重力波的強度和持續時間大于地球其他地區。

對于南極上空的這種持續慣性重力波產生的原因，一種解釋認為，這種波實際上源自其下方大氣層中較小的波動;另一種解釋認為可能與極地渦旋有關;還有一種解釋認為是由海浪造成的南極羅斯冰架振動造成的。

鄒捍比較認同前兩種解釋。

南極地區的大氣環流有著自己的獨特“個性”。受南半球的地理特征和大氣驅動力影響，南極上空的大氣運動以繞極環流為主，南北向運動較弱。冬季極夜期間，南極上空的繞極環流更加強盛，風速最大區在南極大陸邊緣，可持續幾個月。南極上空這一繞極環流被稱為“南極極渦”，其高度范圍從數公里直到50公里以上，是南極地區大氣運動的主要特征，明顯區別于地球其他地區。

南極極渦像一堵無形的墻，圍繞在南極上空，阻止南極內部的空氣與外界空氣交換，使南極上空的大氣屬性明顯區別于外部。當南極大陸上空大氣南北向運動時，穿過南極極渦邊緣產生跳動，就使得空氣氣塊離開浮力平衡位置，激發出大氣慣性重力波。

值得一提的是，冬季的南極極渦非常深厚，從對流層中上層一直到整個平流層。在南極上空，所有穿過南極極渦邊緣的大氣運動均可激發慣性重力波，這些慣性重力波的能量逐漸上傳，在平流層頂附近積累，形成較其他地區更強的慣性重力波，使其維持時間遠遠超過地球其他地區。

關于“由海浪造成的南極羅斯冰架振動產生南極大氣慣性重力波”的解釋。鄒捍認為，相對于南極上空慣性重力波的振幅，羅斯冰架震動對大氣的影響相當微弱，并且距離平流層上層非常遙遠，這種影響基本可以忽略。因此，由海浪造成的南極羅斯冰架振動產生南極大氣慣性重力波的說法從科學上講有些牽強。

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探測技術發展讓它成功引起科學家的注意

鄒捍說，在過去的大氣研究中，由于中高層大氣探測手段較弱，人們對慣性重力波這一大氣運動了解較少，無法清晰地描述和解釋其發生和發展過程及其對大氣過程的影響。近年來，隨著中高層大氣探測技術不斷發展，例如激光雷達技術的應用，人們對大氣慣性重力波的探測能力不斷增強，認識也不斷加深。這也是為什么近年來南極大氣慣性重力波引起人們注意的原因。

但鄒捍同時表示，作為一種大氣波動形式，以往對慣性重力波的研究并不熱門。一個重要原因是，在全球氣候變暖背景下，人們最關心的是接近地球表面的低層大氣，與人類活動相關的大部分大氣過程，像風霜雨雪、大氣污染等，都發生在這個層次。比如，在氣候變化研究中，最重要的指標就是地面大氣溫度。盡管慣性重力波存在于大氣的各個層次中，但在低層大氣中，慣性重力波的強度遠小于其他大氣運動形式，對人們關心的天氣、氣候和環境過程影響較小。只有在較高的大氣層次中，其他大氣運動顯得較為平穩，大氣慣性重力波才變得較為明顯和重要。