湍流不僅是個科學問題

黃森 編譯

提及大氣湍流，大多數人第一時間會想到乘坐飛機時的「恐怖」經歷。但湍流無處不在，不僅存在於空氣中，也存在於水中，甚至存在於移動的人群中。

湍流無處不在

簡單來說，湍流是流體的一種流動狀態。雖然湍流會降低飛行旅途的舒適性，但大氣層中的湍流對地球生命的存在至關重要。湍流將熱量、水分、二氧化碳送入地球表面，使地球生物圈適合居住。若沒有湍流，當太陽升起時，地面附近的空氣會變得異常熱，說得誇張一點，腳指頭會熱的融化，而頭部則會結冰。

人口較為稠密的地區往往伴隨著不確定性的湍流。人口稠密、植被較少的地區吸收了來自太陽的熱量，並通過湍流將熱量釋放。這個過程可以產生具有嚴重空氣質量問題的複雜微氣候。

降低湍流水平會對生態環境產生負面影響，煙霧和藻類大量繁殖便是湍流降低時所出現的一種極端情況。

當水湍流降低時，水藻大量繁殖。

水中的湍流還會減緩水的流速，若沒有了湍流，河流中行船的速度可達到恐怖的2000公里/每小時。

在工程領域，我們無法精確地建模並控制湍流，從而導致了無效的過度設計（over-design）並限制了未來技術的應用。目前，每年生產的電力中約有10%的電力在克服湍流影響的過程中被消耗掉。

湍流對航空的影響

乘坐過飛機的人幾乎都遭遇過湍流——飛機突然抖動顛簸並上下搖擺。那麼，湍流會導致空難事故嗎？

答案是肯定的。在極端條件和特殊情況下，湍流可能會導致航空事故。1966年一架波音707飛機飛行員為了向遊客展示富士山而偏離航線，遇到強烈的晴空湍流，導致飛機尾翼斷裂而墜毀，機上124人全部遇難，當時的風速超過了140英里/每小時。

現在，基於技術的進步，發生這種事件的概率已經微乎其微。現代飛機的設計使用了更高的應力和應變彈性標準，其設計受力能力在過去的40年間提高了1.5倍，能夠承受更為急速的湍流。其實正常的湍流對飛機的影響完全沒有我們所想像的那麼大，在乘坐飛機遇到湍流時不必太過緊張，你要做的是系好安全帶。

達芬奇的「湍流」

在人文學科中，湍流的概念被廣泛應用於各種藝術及文學表現形式，甚至哲學理論、經濟建模和政治革命描述。相比於科學家，人文學者更傾向於使用湍流的概念且幾乎都是如混亂、激烈、破壞和喧鬧等這類消極意義的詞。達芬奇因考慮到水圍繞障礙物的旋轉運動，將湍流描述為激烈和破壞性的力量。

達芬奇研究水壩矩形孔中形成湍流的水

達芬奇的藝術靈感和科學思維並非來源於空想，而是受到周圍世界的啟發。他的一些關於空氣和水流的研究以及關於鳥類飛行的研究對軍事技術的發展做出了突出貢獻。

因此，湍流不僅僅是達芬奇的研究課題，也是一種生活經驗，設計應用也是他的一項重要收入來源。

用豐富的專業知識解決問題

湍流可以減少阻力、提高效率、降低燃油消耗並能使人們有更加舒適的飛行體驗，這對於那些依賴長途航空旅行的國家尤為重要。

對於風力場和潮汐能源場，湍流的大小和規模可以通過建立可靠有效的模型來改善，以降低渦流所帶來的故障風險和電力供應損失。

了解沿海和內陸水域的湍流將有助於確定河流、河口和沿海海洋生態健康的最佳保護方案。從長遠來看，關於湍流的工程能力可以幫助我們了解人口的流動，例如在戰爭和使用化學武器後的難民危機。

跨越科學、技術、工程、藝術和人文科學的夥伴關係可以幫助我們思考如何以及為什麼要在不同的文化知識體系中理解湍流，並了解在日常和極端環境中的湍流如何被建模和管理。這是建立可持續發展經濟的一個重要方面。

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