埃特納火山在意大利可能是世界上最喜歡吸煙的火山。2024年4月5日，它又吐了一整天煙圈。

煙圈在埃特納火山爆發(fā) |Maria左圖 Liotta，右邊的Louis F. Cassar

埃特納火山會(huì)時(shí)不時(shí)地表演這個(gè)絕技，它產(chǎn)生的煙圈比世界上任何其他類似的人都多；最近吐得特別開心，一個(gè)小時(shí)就能噴出幾十個(gè)煙圈。這些煙圈白皙美麗，在空中漂移翻滾，與人們對“火山灰遮天蔽日”的印象大相徑庭。

50萬年前，一股巖漿從海底噴涌而出。當(dāng)它們在海水中滾動(dòng)、冷卻和疊加時(shí)，埃特納火山開始從這個(gè)小熔巖堆中生長，最終形成了一個(gè)3000多米高的巨大身體。在羅馬神話中，伏爾甘甘住在這座山下，起火和鍛造之王（Vulcan），每一天，他的鐵匠店里都充滿了火花，一打就是幾千年。

在高達(dá)1200℃的玄武巖漿中開一家鐵匠店的概率太小了；如果你想噴這么大的煙圈，你也需要一張人類無法擁有的大嘴。但是他們是怎么來的呢？

經(jīng)過仔細(xì)檢查“煙圈”的形狀和顏色，地理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些像巨型水母一樣漂浮在空中的“煙圈”其實(shí)是相當(dāng)干凈的，主要成分是水蒸氣，而不是臟煙灰。

2024年4月，埃特納火山噴發(fā)煙圈 | Planet

地理學(xué)家仔細(xì)盤點(diǎn)了世界上每個(gè)活火山口的熱成像儀數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這些“煙圈”剛形成時(shí)的溫度與巖漿表面幾乎一致，一旦上升，就會(huì)迅速變冷，說明它們是從巖漿中產(chǎn)生的。

亞速爾火山煙圈的紅外線照片 SIMONS

但這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以表明“煙圈”是如何形成的。直到柏林工業(yè)大學(xué)的研究人員看到一篇1976年的論文，上面寫著“火山口噴氣的氣體噪音和噴氣飛機(jī)的噪音非常相似”。

新思路突然打開:聲音差不多，原理差不多嗎？他們用麥克風(fēng)記錄了火山口氣體噴發(fā)的次聲波特征，判斷了“煙圈”的真實(shí)面貌:渦環(huán)。

圣海倫斯火山次聲監(jiān)聽設(shè)備“蜘蛛” | 美國地質(zhì)調(diào)查局

吐渦環(huán)的秘訣：不粘，還圓。

顧名思義，渦環(huán)就是一個(gè)叫渦的環(huán)，只是環(huán)本身在旋轉(zhuǎn)。這也說明了火山渦環(huán)和老煙民吐出的圓，原則上是半斤八兩。

火山“煙圈”的細(xì)節(jié)

造成火山渦環(huán)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是：不那么粘的巖漿，以及相當(dāng)圓的火山口。完美符合條件的火山并不多。

近幾個(gè)世紀(jì)以來，埃特納火山噴發(fā)了安山巖和玄武巖巖漿。這種巖漿只含有50~60%的二氧化硅，容易流動(dòng)。因此，各種小氣泡可以像潛艇一樣波動(dòng)，最終合并成大氣泡。

流動(dòng)巖漿的埃特納火山正在流動(dòng) | My Etna Map

這一大氣泡將逐漸上升，到達(dá)堵塞的火山口，加壓，再加壓，最后“砰”一聲爆開。

下一個(gè)關(guān)鍵是圓形火山口:懸崖會(huì)在邊緣“摩擦”這個(gè)氣體，手法有點(diǎn)像早點(diǎn)攤上摩擦一個(gè)面圈。如果火山口的形狀足夠圓，它可以以1.5倍的速度摩擦一個(gè)完美的白色渦環(huán)。

這些渦輪環(huán)可能代表著噴發(fā)的跡象——根據(jù)當(dāng)?shù)厝说慕?jīng)驗(yàn)，渦輪環(huán)連續(xù)噴發(fā)后，通常會(huì)有壯觀的火山爆發(fā)。這個(gè)小技巧不準(zhǔn)確。有時(shí)候火山口就像一杯逐漸冷卻下來的咖啡，只會(huì)慢慢消散霧氣。

看著渦環(huán)飛起來還是挺解壓的。 | Pinterest

液體不經(jīng)摩擦，一摩擦就會(huì)產(chǎn)生渦流。

流體力學(xué)家陸士嘉教授曾經(jīng)說過:“液體不摩擦，一摩擦就會(huì)產(chǎn)生渦流”。渦輪環(huán)不僅出現(xiàn)在火山口，而且只要有合適的條件，無論是氣體還是液體，都能產(chǎn)生渦輪環(huán)。

大家都觀察過很多次海豚吐圈，一開始以為是捕食水母的特殊技能。經(jīng)過長時(shí)間的觀察，我們終于確定了另一個(gè)目的:玩。一些海豚甚至?xí)^續(xù)吹兩個(gè)渦輪，以取代它們。

渦輪圈能“捕捉”水母，并使其瘋狂旋轉(zhuǎn)。 | newsflare

蒲公英是植物界使用渦環(huán)的杰出代表，它可以通過絨毛在上面形成一個(gè)小渦環(huán)，利用微弱的氣流使自己遠(yuǎn)走高飛。

相比之下，人類在使用渦輪環(huán)時(shí)并不那么和諧。在我們能夠理解渦輪環(huán)背后的物理規(guī)律之前，我們創(chuàng)造了一個(gè)簡單粗暴的經(jīng)典應(yīng)用:空氣炮。

捷克的電視節(jié)目《自然奇觀》曾制作過一個(gè)“雷聲大雨點(diǎn)小”的空氣炮，在100米外還可以擊倒紙箱。與沖擊相比，它的巨大噪音似乎更具殺傷力。美國曾經(jīng)用類似的空氣炮來阻止冰雹和雨云的形成，但由于噪音太大，附近的居民很容易抱怨，所以很少投入使用。核彈蘑菇云也是一種渦環(huán)，但它并非橫向航行，而是向上滾動(dòng)。

空氣渦環(huán)加農(nóng)炮射程可達(dá)100米。 | Zázraky pírody

由于渦輪環(huán)向前旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，空氣炮具有很強(qiáng)的射程和威力，所以人們想到用它來清潔它。在發(fā)電站和垃圾焚燒廠，運(yùn)輸煤炭管道經(jīng)常發(fā)生粘連和堵塞，洗滌應(yīng)停止工作，這需要更多的時(shí)間和人力。如果時(shí)不時(shí)有空氣炮，可以吹走灰塵堵塞的煤渣，省時(shí)省力。

假設(shè)你喜歡動(dòng)手，這里有空氣炮2個(gè)低配版的感受方法：

切開礦泉水瓶，在切口處蒙上一層汽球皮，小心翼翼地將煙倒入瓶中，然后輕輕拍打汽球皮，就可以看到飛出的煙圈。

渦輪煙霧制造器青春版 | bilibili:愛情科學(xué)的熊貓

還有一種手動(dòng)含量為零的方法:找一個(gè)柔軟的礦泉水瓶，擰松瓶蓋，然后用力擰瓶體，直到擰不動(dòng)為止。最后，用拇指快速擰開瓶蓋。如果順利的話，可以看到瓶蓋飛得很快，水蒸氣會(huì)因?yàn)閴毫Φ耐蝗蛔兓兂扇庋劭梢姷撵F。這種方法看不到渦輪環(huán)，所以做一個(gè)便宜的空氣炮綽綽有余。

擰瓶蓋的技術(shù)和技巧也很重要。 | 中科院物理研究所二次元

也許我們很難直觀地將這種模糊的水霧與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)系起來，就像海豚不能理解它的氣泡圈和核彈的云有著相同的原因一樣。

當(dāng)瓶蓋飛出時(shí)，它與遙遠(yuǎn)的埃特納火山有著瞬間的重疊:同樣的規(guī)則可以驅(qū)動(dòng)瓶蓋，也可以讓火山飛起來。我們可以用渦環(huán)來創(chuàng)造空氣炮，我們也可以通過研究它來使飛機(jī)更加穩(wěn)定。

自然界從不吝嗇隱藏規(guī)律。

參考文獻(xiàn)

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[7] https://www.go-etna.com/blog/myths-and-legends-about-mt-etna/

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[9] https://www.go-etna.com/etna-aktiv/mount-etnas-great-show-of-gas-rings/

[10] https://www.usgs.gov/media/images/deploying-spider-volcano-monitoring-equip-mount-st-helens

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