泡泡風暴--肥皂膜上的大氣模型 - 颱風討論

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泡泡風暴--肥皂膜上的大氣模型 作者:C.Y.Chuang 2008/05/29

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，可用來模擬土星大紅斑及地球颶風等等的大氣現象。

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。

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

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