“歐洲屋脊”—埃特納火山最近又雙叒叕 “出圈”了！

埃特納火山（Etna volcano）位于意大利西西里島的卡塔尼亞省，海拔3357米，是一座大型的單成因玄武質層狀活火山。它也是歐洲最高的活火山，有“歐洲屋脊”之稱。埃特納火山也是一座典型的城市火山，在火山周邊存在大量的城鎮(zhèn)和居民居住點。近日，埃特納火山開始噴出一個又一個形狀規(guī)則的白色圓環(huán)，酷似抽煙時吐出的“煙圈”。這一火山活動現(xiàn)象吸引了當?shù)赜慰蛡兊膰^和各個媒體的廣泛報道。

其實，在我們的生活中，類似“吐煙圈”的現(xiàn)象屢見不鮮，例如，人們抽煙吐出的煙圈、潛水游泳吐出的泡沫環(huán)、鯨魚玩耍吐出的泡沫環(huán)、迫擊炮發(fā)射時形成的渦環(huán)、飛機渦輪發(fā)動機形成渦環(huán)等等。這是一種叫“渦環(huán)”（vortex ring）的現(xiàn)象。在空氣力學中，這種環(huán)叫做“渦環(huán)”，水中的“渦環(huán)”則被稱為“泡沫環(huán)”。泡沫環(huán)在水里移動時，環(huán)內空氣與附近的水都會呈角向轉動，類似于手臂上滾動的手串。

抽煙吐出的煙圈（此圖源于網(wǎng)絡）

潛水游泳吐出的泡沫環(huán)（此圖源于網(wǎng)絡）

鯨魚玩耍吐出的泡沫環(huán)（此圖源于網(wǎng)絡）

胡賽武裝發(fā)射迫擊炮彈時形成的渦環(huán)（此圖源于網(wǎng)絡）

這些“渦環(huán)”形成的背后，都離不開一個重要的原理：伯努利原理。該原理是由瑞士流體物理學家丹尼爾·伯努利 （Daniel Bernoulli）在1726年提出的，其實質是理想流體的機械能守恒。即：在理想條件下，同一流管的任何一個截面處，單位體積流體的動能、勢能和壓力勢能之和是一個常量。最為著名的推論就是：等高流動時，流速越大，壓強越小。流體力學中經(jīng)常說的壓力，其實指的是單位面積上的壓力，也就是普通物理學里說的壓強。以下是伯努利方程的表達式：

（參考文獻：趙昌友. 伯努利方程及其應用. 池州學院學報, 2014, 28(6):2）

伯努利原理的通俗解釋如下：拿著兩張紙，往兩張紙中間吹氣，會發(fā)現(xiàn)紙不但不會向外飄去，反而會被一種力擠壓在了一起。因為兩張紙中間的空氣被我們吹得流動的速度快，壓力就小，而兩張紙外面的空氣沒有流動，壓力就大，所以外面力量大的空氣就把兩張紙“壓”在了一起。這就是“伯努利原理”的通俗解釋。伯努利原理可以應用于液體流動、飛機的飛行原理、煙囪抽風、渦輪機等。這也為以上生活中我們遇見的一些“渦環(huán)”現(xiàn)象，提供了通俗易懂的科學解釋。

埃特納火山吐“煙圈”的噴口（原創(chuàng)視頻）

通過現(xiàn)象看本質：意大利埃特納火山是一座大型活火山，常年處于活躍狀態(tài)。截止2023年，火山錐體共有3個主噴口，火山活動主要表現(xiàn)為火山脫氣、火山地震、火山熱異常、火山形變等。處于活躍狀態(tài)的火山口快速噴出高溫火山氣體、火山灰（0.01-2 mm，粒度）和火山塵（＜0.01mm，粒度），這些物質與周圍的空氣和水蒸氣混合，并通過火山噴發(fā)的氣流和對流運動形成了“渦環(huán)”，從而出現(xiàn)了這種火山吐“煙圈”的現(xiàn)象。伯努利原理和方程其實質是“理想流體的機械能守恒”。因此，埃特納火山吐出的“煙圈”也是該火山能量釋放的常見表現(xiàn)形式之一。

清晨的埃特納火山吐出的“煙圈”（原創(chuàng)圖片）

午后的埃特納火山吐“煙圈”（原創(chuàng)圖片）

傍晚的埃特納火山吐“煙圈”（原創(chuàng)圖片）

本期科普結束！小伙伴們，我們下期見！

本期作者：徐智濤 孫立影 葉希青 Ailin·P

策劃：葉希青 Luca·F Salvatore·G

編輯：孫立影 武成智 李萌萌

審核：盤曉東 康建紅 宋雨佳

宣傳：顧國輝 關 升 朱大慶

制作單位：中國地震局火山研究所 吉林省地震局 卡塔尼亞埃特納火山觀測站 阿根廷國家空間活動委員會 阿根廷國家科學與技術研究理事會