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卫星拍摄的卡门涡街

已有 12584 次阅读 2009-5-14 07:32 |个人分类:力学趣谈|系统分类:教学心得| 涡旋, 流体力学, 卡门涡街, 冯·卡门

—卡门涡街及其应用（续）

王振东

冯·卡门（Theodore von Kármán 1881-1963）是美藉匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一，是我国著名科学家钱学森、钱伟长、郭永怀在美国加州理工学院时的导师。

卡门涡街是流体力学中重要的现象。在自然界中常可遇到，在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。卡门涡街的图片十分漂亮，有时己可作为艺术品来欣赏。

冯·卡门在1911-1912年，对这一涡街研究的贡献主要是二个方面：一是发现涡街只有当涡旋是反对称排列，且仅当行列的距离对同行列内相邻两涡旋的间隔有一定的比值时才稳定；二是将涡系所携带的动量与阻力联系了起来。

笔者所写“卡门涡街及其应用”一文，介绍了其研究历史及有关的应用情况，2006年2月发表于《力学与实践》28卷1期。之后陆续又看到了几张卫星拍摄的卡门涡街的照片，现将其归在一起作为上文的补充，放在科学网上，以文会友，与大家交流，并作为参考资料提供给担任有关专业课程的老师在教学中使用。

美国宇航局最近公布了自1959年8月14日拍摄了第一张卫星照片以来，所选出的50年十佳地球卫星照片，排为十佳第一张的就是“陆地卫星7”号2007年拍摄的以下这张图片，展示了一排涡旋正在交替改变向前运行的方向，这正是“冯·卡门涡街”。当风或者洋流被小岛或者岛屿挡住去路时，会出现这种图形。该图片中的这些卡门涡街，是当风吹过太平洋北部向东运行过程中，遇到阿留申群岛时形成的。

2009年2月24日，来自北方的冷空气（可能是来自格陵兰的重力风）遭遇格陵兰海域上空的潮湿空气，在扬曼因岛（Jan Mayen）附近上空形成了一排排的积云。而扬曼因岛阻碍了风的行进，它本身对天气也施加了影响。就像水流会分开绕过河里的巨石一样，吹来的风也会在扬曼因岛的北面分叉，然后在它的南面又再次汇拢。在扬曼因岛的下风处，当冷空气从岩石表面刮过时，形成了一连串螺旋状的涡旋，这也正是“冯·卡门涡街”。在图片的左上角，可以看到一小片白雪覆盖的格陵兰岛的海岸线以及海冰。在靠近海岸线的地方还有许多巨大而不规则的浮冰漂浮着。这张照片由美国宇航局卫星上的中等分辨率成像光谱仪拍摄的。