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“欧洲屋脊”—埃特纳火山最近又双叒叕 “出圈”了!

中国地震局火山研究所 徐智涛
原创
火山学、岩石学、矿物学、地震与火山灾害等领域科普视频
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“欧洲屋脊”—埃特纳火山最近又双叒叕 “出圈”了!

埃特纳火山(Etna volcano)位于意大利西西里岛的卡塔尼亚省,海拔3357米,是一座大型的单成因玄武质层状活火山。它也是欧洲最高的活火山,有“欧洲屋脊”之称。埃特纳火山也是一座典型的城市火山,在火山周边存在大量的城镇和居民居住点。近日,埃特纳火山开始喷出一个又一个形状规则的白色圆环,酷似抽烟时吐出的“烟圈”。这一火山活动现象吸引了当地游客们的围观和各个媒体的广泛报道。

其实,在我们的生活中,类似“吐烟圈”的现象屡见不鲜,例如,人们抽烟吐出的烟圈、潜水游泳吐出的泡沫环、鲸鱼玩耍吐出的泡沫环、迫击炮发射时形成的涡环、飞机涡轮发动机形成涡环等等。这是一种叫“涡环”(vortex ring)的现象。在空气力学中,这种环叫做“涡环”,水中的“涡环”则被称为“泡沫环”。泡沫环在水里移动时,环内空气与附近的水都会呈角向转动,类似于手臂上滚动的手串。

抽烟吐出的烟圈(此图源于网络)

潜水游泳吐出的泡沫环(此图源于网络)

鲸鱼玩耍吐出的泡沫环(此图源于网络)

胡赛武装发射迫击炮弹时形成的涡环(此图源于网络)

这些“涡环”形成的背后,都离不开一个重要的原理:伯努利原理。该原理是由瑞士流体物理学家丹尼尔·伯努利 (Daniel Bernoulli)在1726年提出的,其实质是理想流体的机械能守恒。即:在理想条件下,同一流管的任何一个截面处,单位体积流体的动能、势能和压力势能之和是一个常量。最为著名的推论就是:等高流动时,流速越大,压强越小。流体力学中经常说的压力,其实指的是单位面积上的压力,也就是普通物理学里说的压强。以下是伯努利方程的表达式:

(参考文献:赵昌友. 伯努利方程及其应用. 池州学院学报, 2014, 28(6):2)

伯努利原理的通俗解释如下:拿着两张纸,往两张纸中间吹气,会发现纸不但不会向外飘去,反而会被一种力挤压在了一起。因为两张纸中间的空气被我们吹得流动的速度快,压力就小,而两张纸外面的空气没有流动,压力就大,所以外面力量大的空气就把两张纸“压”在了一起。这就是“伯努利原理”的通俗解释。伯努利原理可以应用于液体流动、飞机的飞行原理、烟囱抽风、涡轮机等。这也为以上生活中我们遇见的一些“涡环”现象,提供了通俗易懂的科学解释。

埃特纳火山吐“烟圈”的喷口(原创视频)

通过现象看本质:意大利埃特纳火山是一座大型活火山,常年处于活跃状态。截止2023年,火山锥体共有3个主喷口,火山活动主要表现为火山脱气、火山地震、火山热异常、火山形变等。处于活跃状态的火山口快速喷出高温火山气体、火山灰(0.01-2 mm,粒度)和火山尘(<0.01mm,粒度),这些物质与周围的空气和水蒸气混合,并通过火山喷发的气流和对流运动形成了“涡环”,从而出现了这种火山吐“烟圈”的现象。伯努利原理和方程其实质是“理想流体的机械能守恒”。因此,埃特纳火山吐出的“烟圈”也是该火山能量释放的常见表现形式之一。

清晨的埃特纳火山吐出的“烟圈”(原创图片)

午后的埃特纳火山吐“烟圈”(原创图片)

傍晚的埃特纳火山吐“烟圈”(原创图片)

本期科普结束!小伙伴们,我们下期见!

本期作者:徐智涛 孙立影 叶希青 Ailin·P

策划:叶希青 Luca·F Salvatore·G

编辑:孙立影 武成智 李萌萌

审核:盘晓东 康建红 宋雨佳

宣传:顾国辉 关 升 朱大庆

制作单位:中国地震局火山研究所 吉林省地震局 卡塔尼亚埃特纳火山观测站 阿根廷国家空间活动委员会 阿根廷国家科学与技术研究理事会

评论
坦 荡 荡
少师级
其实,在我们的生活中,类似“吐烟圈”的现象屡见不鲜,泡沫环在水里移动时,环内空气与附近的水都会呈角向转动,类似于手臂上滚动的手串。
2024-04-13
金钱草.
学士级
“欧洲屋脊”埃特纳火山近期吐出有趣的“烟圈”这一现象是火山能量释放的常见表现形式之一。通过火山喷发的气流和对流运动形成了“涡环”,从而出现了这种火山吐“烟圈”的现象。
2024-04-13
科普科普知识的摇篮!
大学士级
科普活山所引起的小知识,其实伯努利原理可以应用于液体流动、飞机的飞行原理、烟囱抽风、涡轮机等。这也为以上生活中我们遇见的一些“涡环”现象,提供了通俗易懂的科学解释。
2024-04-13