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圖源:網(wǎng)絡(luò))
撰文 | 蘇澄宇
從今年初開始,經(jīng)常可以看到有人在重慶江風(fēng)廣場對著天空張嘴,人不少,還排著隊。
近日,一個巨大的黑色圓環(huán)悄然出現(xiàn)在大連金石灘上空,它形態(tài)規(guī)整,在空中緩慢移動,一時間引發(fā)了眾多市民的駐足拍攝。

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由于其前所未見的形態(tài),有人猜測它是一個不明飛行物(UFO)或某種未知的空中現(xiàn)象。
在此之前,還有人拍到這樣的:

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這樣的:
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各種各樣的,每年都有:
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其實,它并非天外來客,而是源于當(dāng)?shù)匕l(fā)現(xiàn)王國主題公園一項表演項目結(jié)尾處,由火焰設(shè)備噴射而成的煙圈。
為何會形成一個“圈”?
煙圈的環(huán)狀結(jié)構(gòu)是其最顯著的特征,這源于“渦環(huán)”的形成機(jī)制。
當(dāng)一股流體(在這里是含碳顆粒的熱空氣)被迅速地從一個圓形出口(如炮口)推出時,位于出口中心的流體速度最快,而靠近邊緣的流體因為與管壁的摩擦力,速度會慢得多。
下圖是老外做的一個專門產(chǎn)生巨型黑色煙圈的噴火器,在 2005 年燃燒人藝術(shù)節(jié),內(nèi)華達(dá)州黑巖沙漠進(jìn)行表演:
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圖源:loupiote
由于中心流體前進(jìn)速度快,邊緣流體速度慢,這股流體的前端會開始向外、向后卷曲,就像伸出的舌頭要向后舔到舌根一樣。
這種卷曲運動持續(xù)進(jìn)行,最終形成一個自我閉合的、像甜甜圈一樣的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。環(huán)內(nèi)部的流體不斷地從內(nèi)向外翻滾循環(huán)。
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圖源:loupiote
這個結(jié)構(gòu)在物理學(xué)上被稱為環(huán)形渦旋或渦環(huán)(Toroidal Vortex)。它是一個穩(wěn)定、獨立的流體結(jié)構(gòu)。
煙圈為何是黑色的?
煙圈的顏色取決于構(gòu)成它的顆粒物。在特效表演中,所使用的燃料(通常是柴油或特定煙火藥劑)在設(shè)備中被瞬間點燃并噴射。這個過程屬于“不完全燃燒”。
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圖源:sciencelabhub
不完全燃燒是指燃料在氧氣不足的條件下燃燒。它會產(chǎn)生大量微小的碳顆粒,也就是我們常說的“煙灰”或“碳黑”。
這些細(xì)小的碳顆粒懸浮在空氣中,因為其本身不透光且吸收光譜中的所有可見光,所以我們看到的煙霧呈現(xiàn)為深黑色。這與蠟燭燃燒時冒出的黑煙,或老式柴油車排放的尾氣,其原理是相同的。
煙圈為何能長時間保持形態(tài)?
渦環(huán)一旦形成,其內(nèi)部的粒子會以一種有序的方式旋轉(zhuǎn)運動。這種旋轉(zhuǎn)賦予了它角動量,使其具有了類似陀螺的穩(wěn)定性。一個旋轉(zhuǎn)的陀螺很難被推倒,同樣,一個旋轉(zhuǎn)的渦環(huán)結(jié)構(gòu)也不容易被周圍的靜止空氣輕易干擾或破壞。
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圖源:flowvisaulization
此外,渦環(huán)作為一個相對獨立的系統(tǒng),它整體向前移動時,與周圍空氣的能量交換和摩擦較小。環(huán)內(nèi)的空氣被“鎖”在旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中,與外界空氣的混合非常緩慢。
這兩個因素——內(nèi)在的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和與外界的低交互——共同作用,使得煙圈可以在空中飛行一段距離并保持形態(tài),直到其內(nèi)部能量耗盡,最終因空氣阻力和內(nèi)部紊亂而逐漸消散。
當(dāng)然,要形成煙圈沒那么簡單,首先最好是瞬時脈沖式噴射,也就說必須在極短時間內(nèi)噴射出大量氣體,形成一股強(qiáng)有力的氣流團(tuán)。緩慢釋放的氣體只會形成一縷普通的煙。
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圖源:YouTube
噴口最好是圓形或近似圓形的出口,畢竟這是形成均勻、對稱渦環(huán)的基礎(chǔ)。
最后,就是沒有風(fēng)。如果有風(fēng),就會產(chǎn)生湍流,迅速撕裂渦環(huán)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),使其無法成型或很快消散。大連當(dāng)天相對平穩(wěn)的天氣為此提供了良好條件。
黑煙圈并不罕見,世界各地都有這樣的報道,實在太多了,隨便挑一些給大家看吧。
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圖源:unilad
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圖源:Reddit
總之,大同小異,它們的最常見的來源之一是電力變壓器爆炸。圓柱形的變壓器外殼在爆炸瞬間起到了類似炮筒的作用,將燃燒產(chǎn)生的黑煙噴射成渦環(huán)。
另外,一些特定的火山,如意大利的埃特納火山,以其能“吞云吐霧”般地噴出巨大的天然蒸汽渦環(huán)而聞名。這些渦環(huán)由火山內(nèi)部通道的特定形狀和氣體的脈沖式噴發(fā)共同造就。
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圖源:onlyias
所以,大連上空的那個圈,并不是什么天外來物,只是一股強(qiáng)勁的煙霧和流體力學(xué)在空中開了個玩笑。
參考資料:
Shariff, K., & Leonard, A. (1992). Vortex Rings. Annual Review of Fluid Mechanics, 24(1), 235–279.Saffman, P. G. (1992).
Vortex Dynamics . Cambridge University Press.
Gharib, M., Rambod, E., & Shariff, K. (1998). A universal time scale for vortex ring formation. Journal of Fluid Mechanics , 360, 121–130.
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