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羅斯比波又稱行星波，是在旋轉(zhuǎn)流體中以科里奧利力為回復(fù)力沿緯向傳播的橫波。其基本原理如圖1所示。羅斯比波的時(shí)空尺度極長(zhǎng)。其波長(zhǎng)與載波流體的尺度相當(dāng)，波動(dòng)周期比載波流體的旋轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)。相關(guān)探測(cè)需要在長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)對(duì)來自多個(gè)經(jīng)度扇區(qū)的載波流體進(jìn)行連續(xù)和同步的監(jiān)測(cè)。此外，羅斯比波的耗散性和瞬態(tài)性讓相關(guān)探測(cè)更具挑戰(zhàn)性。這些困難使得羅斯比波成為近地空間中為數(shù)不多的在理論上先被預(yù)測(cè)之后才被觀測(cè)到的現(xiàn)象之一。

羅斯比波在塑造地球、太陽(yáng)和其他天體的大氣、海洋和等離子體的天氣和氣候方面發(fā)揮著重要作用。其非線性行為被用來解釋天體的一些重要過程和周期性，例如，太陽(yáng)表面磁結(jié)構(gòu)的一些準(zhǔn)周期性、地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化。這些非線性行為中最低階的是二次諧波產(chǎn)生。在這個(gè)過程中，波與自身非線性相互作用，產(chǎn)生具有兩倍頻率和波數(shù)的新波。作為一個(gè)波的原型行為，該機(jī)制廣泛用于無線電通信和非線性光學(xué)，例如，通過紅寶石激光器產(chǎn)生藍(lán)色激光(圖 2)。多年來，羅斯比波的二次諧波產(chǎn)生行為得到理論分析和數(shù)值模擬的支持，但并未被實(shí)際觀測(cè)到。

針對(duì)羅斯比波觀測(cè)技術(shù)上的困難，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域科學(xué)家何茂盛研究員及其合作者利用來自國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——子午工程漠河站和同緯度上德國(guó)朱利葉斯魯站的流星雷達(dá)觀測(cè)，發(fā)展了行星尺度波動(dòng)的雙站臺(tái)探測(cè)技術(shù)。利用該技術(shù)，何茂盛等發(fā)現(xiàn)了2019年1月平流層爆發(fā)性增溫事件前后地球中層大氣中由羅斯比波引起的一系列擾動(dòng)。其中，有兩個(gè)擾動(dòng)周期分別為16天和8天。這兩個(gè)擾動(dòng)的時(shí)間演化、頻率和波數(shù)關(guān)系、以及雙譜和雙相干分析(bispectral and bicoherenceanalysis)都表明，它們分別對(duì)應(yīng)著一個(gè)羅斯比波正態(tài)模及其二次諧波產(chǎn)生。此外，作者對(duì)雙譜和雙相干提出了新的物理解釋，將其分別解釋為能量的供給和接受雙方之間的一個(gè)復(fù)協(xié)方差和復(fù)相關(guān)系數(shù)。

圖1：羅斯比波基本原理示意圖： (a,b) 由科里奧利力的子午向梯度充當(dāng)?shù)幕貜?fù)力和(c—e)由位渦守恒而決定的相速度。(a)在水平氣壓梯度力與科里奧利力平衡的條件下，氣團(tuán)沿著緯圈向東流動(dòng)。(b)氣團(tuán)位移的子午向擾動(dòng)伴隨著科里奧利力的改變，該改變將產(chǎn)生與位移擾動(dòng)方向相反的加速度，使得氣團(tuán)沿著路徑l蜿蜒流動(dòng)。(c)沿著l上相對(duì)渦度的梯度使得氣團(tuán)產(chǎn)生切向的速度，該速度在緯圈方向上投影始終向西(局部放大的情形如d和e所示)，使得l呈現(xiàn)出向西的相速度。(d、e)中粉色和紅色箭頭表示相對(duì)渦度及其梯度。

圖2：通過二次諧波產(chǎn)生(Second harmonic generation，SHG)原理，利用紅色激光生成藍(lán)色激光。右側(cè)紅色（694 nm）高強(qiáng)度激光聚焦到石英樣品，經(jīng)分光器后，得到左側(cè)藍(lán)色（347 nm）激光。

該研究成果于近日發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上。

文章鏈接:He, M., Forbes, J.M. Rossby wave second harmonic generation observed in the middle atmosphere. Nat Commun 13, 7544 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-35142-3

標(biāo)簽： 羅斯比波