地理纵横

“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3330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。

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）

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