肥皂泡背後背後有什麼科學？

通過研究肥皂泡表面的旋渦，一位物理學家聲稱已發現可預測旋渦甚至氣旋生成的定律。

但氣象學家表示這樣的類推毫無依據……

不久前，法國波爾多大學流體力學專家哈米德·凱利（Hamid Kellay）公布了其關於氣旋演變的通用定律，一石激起千層浪。

對於坐擁大量數據和觀測記錄，卻始終無法準確預測不斷肆虐的氣旋的軌跡及強度的氣象學界而言，這項成果理應是一份意外之喜。

2012年，颶風「桑迪」在美國及海地造成約200人死亡；

2013年，颱風「海燕」在菲律賓奪取了數千人的生命……這些災難我們記憶猶新。

而哈米德·凱利在他新近發表的論文中語驚四座：

通過測量任意氣旋形成幾小時內的風速變化，人們將有可能預測其最大強度，甚至其登陸的準確時間——因為他在肥皂泡中觀察到了類似現象！

輕吹一口氣，耐心等待肥皂泡穩穩落定，隨後仔細觀察其表面五顏六色的圖案，直至肥皂泡「噗」一聲炸裂——哈米德·凱利如同世上所有孩子那樣，欣賞著肥皂泡表面的七彩斑斕。

這位物理學家對自己的「老頑童」行為自有一番解釋：「大氣層相對於地球的厚度與肥皂泡薄膜相對於整個肥皂泡尺寸的比例相當，因此肥皂泡是研究大氣現象的理想模型。」使用簡易的設備（一個小小的氣嘴、一個用於旋轉肥皂泡的馬達、一個用於改變肥皂泡溫度的加熱系統），並充分藉助令肥皂泡表面液流顯出迷人色彩的光線折射現象，哈米德·凱利攝製了這個地球大氣濃縮模型中出現的流體現象。

他發現，在肥皂泡底部及頂端之間溫差的影響下產生了對流，並進一步產生多個渦流，而這些微弱的渦流隨著時間的推移，會不可逆地相互結合，最終合併成唯一的旋渦。

哈米德·凱利還觀測到這些渦流向中心收縮形成類似風眼的結構，周圍則產生了規律的旋臂。

他得出結論：

「眼前的結構擁有氣旋的所有特徵！

」

奇怪的聯繫

這一近似使哈米德·凱利信心大增，他決定進行更深入的研究。

第一步：

檢驗這一關聯性能否經得起精確測量的考驗。

通過改變肥皂泡的轉動速度或溫度，他逐漸發現了一些相似點：

與氣旋相同，肥皂泡旋渦進行「擺線」運動，即圍繞其拋物線型的軌跡振蕩運動；

與氣旋相同，這些旋渦在周期性旋轉的同時強度不斷增強，速度不斷增加直至平台期，隨後進入衰退期。

哈米德·凱利還發現肥皂泡表面的旋渦遵循一條極為簡單的法則：它們的周期取決於初始強度。因此，渦流的持續時間、最大速度及達到最大速度的時刻在其形成時便已由初始強度決定。哈米德·凱利簡略地總結道：「在旋渦增強的方式及所能達到的最大速度間可能存在某種聯繫，而這種聯繫可被用於預測旋渦的最終強度。」

氣旋是否也遵從這一法則呢？

人類能否用肥皂泡預測天氣？

那些通過成千上萬行代碼進行的超精密模擬，是否會敗給這台小小的肥皂泡發生器？

在之後的研究中，哈米德·凱利搜集了近年在大西洋及太平洋上產生的171個氣旋的數據，並利用它們檢驗上述法則的有效性。

結果使他深信不疑：

卡特里娜、麗塔、伯爵、尤金……

以上所有颶風的風速曲線都與他從肥皂泡渦流獲得的曲線完美吻合。

「氣旋形成初期的加速情況與其最大風力相關這條法則似乎是通用的。

」哈米德·凱利如是總結道，「因此，如果我們知道氣旋形成初期的加速情況，便可預測氣旋的最大強度及達到最大強度的時刻。

」

消息很快從物理學界傳到了氣象學界……而氣象學家普遍持懷疑態度，甚至完全否定。

「拿氣旋與肥皂泡相比就如同妄想通過研究玩具車來預測F1賽車的表現！

」法國圖盧茲第三大學大氣學實驗室的氣象學家弗蘭克·魯（Franck Roux）直截了當地表示反對，「對待某些看似簡單的表面相似性應十分小心，不要輕易類推。

」

穩態模型？

僅僅反對並不足以服眾，氣象學家著手進行證明。

「氣旋是三維現象，其根本成因是過熱海水蒸發至空中釋放熱量並重新凝結，而該現象在二維的肥皂泡的渦旋中根本不存在。

」美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）約翰·納夫（John Knaff）強調。

弗蘭克·魯補充道：

「這條法則可能對旋渦適用，但我不認為它同樣適用於氣旋。

對我來說，至關重要的問題是，是什麼因素控制著風的加速？而肥皂泡無法回答這個問題。」但也有科學家認為這個實驗使人們更好地了解風暴的形成和演變，自有其價值。

「氣象學的主要目標應是了解大氣現象的成因，而對於氣象預測的社會需求有可能使氣象學偏離其主要目標。

」法國格勒諾布爾大學的喬爾·索莫利亞（Jo?l Sommeria）分析道，「該實驗再現了旋轉半球球面上炎熱的赤道與寒冷的極地之間的對流效果，無可辯駁地提供了旋渦在不同情況下的強度信息。

」

究竟哪些是可以遵循的基本原理？

是旋渦的穩態模型嗎？

至少氣象學家是這樣認為的，他們更傾向於採集各種旋渦、流體和渦流的資料，並對它們進行一一模擬。

「基礎性的理解是極為有益的。

」同樣來自格勒諾布爾大學的讓-伯特·弗洛爾（Jan-Bert Flor）指出，「但氣象學模擬往往過分關注現實中的複雜條件，卻限制了對至關重要的根本機制的理解。

」

而哈米德·凱利始終堅持己見：「實驗數據表明氣旋的最大強度和持續時間，同肥皂泡上的渦旋一樣，在誕生之初便已決定。我們應嘗試理解為何會出現這一關聯！」利用肥皂泡來預測那些恐怖的大氣現象是否真的靠譜，還是得交由時間來驗證……

撰文 Mathilde Fontez

編譯 陳煜炯

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