海洋也有“黑洞”？如何找到那些持久的漩涡？

海洋中充满了大大小小的漩涡，它们能运输热量、盐分、营养物质。然而，长期以来，传统的观测方法往往高估了漩涡的运输能力，毕竟无法准确识别旋涡的持续时间，为此，有必要识别出那些稳定的海洋旋涡。一项最新的研究，提出了一种全新的方法。

如何找到持久漩涡？

在流体力学中，研究漩涡主要有两种视角：欧拉视角和拉格朗日视角。欧拉视角观察固定位置的流动，如测速仪记录某点的水流速度；拉格朗日视角是追踪单个流体粒子的运动路径。

传统的海洋漩涡观测，如卫星高度计，通常采用欧拉视角，即通过测量海面高度来识别漩涡，这种方法简单直观，但存在一个关键问题，它们只能捕捉瞬时的漩涡结构，无法判断这些漩涡是否能长期存在，或许几周后，原本属于这个漩涡的水团可能已经被拉伸、分散，甚至完全混入周围水体。意味着，欧拉方法高估了漩涡的实际运输能力。

为了解决传统方法的缺陷，研究团队转向了拉格朗日视角，主要为了探究是否存在一种漩涡，其边界在长时间内几乎不泄漏流体？

如何找到这些持久的漩涡呢？研究借用了借用了一个来自宇宙学的概念：黑洞的光子球，也就是光线被黑洞引力捕获只能绕其旋转而无法逃逸的区域，来定义这些持久漩涡的边界——“黑洞”旋涡。

“黑洞”旋涡流体粒子以封闭的环路移动，形成一个屏障，没有任何东西可以逃离这些环路，正是这些屏障有助于在大量可用的观测数据中识别出连贯的海洋涡流。

这样的漩涡边界必须满足一个数学条件，即在流动过程中，边界上的每个点都经历相同的拉伸或压缩，也就是均匀应变，也就是说，如果一条闭合曲线在流动中整体被拉伸或压缩，但形状不变，那么它就是一个理想的持久漩涡边界。

为了验证这一理论，研究人员分析了2006-2007年南大西洋Agulhas泄漏区的卫星数据，并计算了90天内的流体运动。研究发现7个“黑洞”涡旋，2个“主涡旋”边界几乎无拉伸，5个“次涡旋”边界有轻微拉伸或压缩。这些涡旋的边界在90天内几乎未发生显著泄漏。而传统方法识别的涡旋在相同时间内已严重破碎。

研究估算，“黑洞”涡旋的平均运输率为1.3 Sv，比传统通过欧拉视角识别的漩涡高30%。而黑洞涡旋的总运输量为9.1 Sv，远低于欧拉视角识别的18 Sv，证明欧拉方法高估了泄漏率。

研究首次用严格的数学方法定义了持久漩涡的边界，解决了传统观测的局限性。这个方法可以更准确地估算海洋热量、盐度输运，在海洋污染预测方面，可以更准确的预测塑料垃圾、石油泄漏的长期扩散路径。

图：拉格朗日涡旋与黑洞之间的数学等价性🔽

❓思考题：相比传统方法，黑洞涡旋的运输能力如何？

A.更低
B.相同
C.更高
D.无法比较

参考文献：G. Haller, F. J. Beron-Vera. Coherent Lagrangian vortices: the black holes of turbulence. Journal of Fluid Mechanics, 2013; 731 DOI: 10.1017/jfm.2013.391