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撰文 | 蘇澄宇

從今年初開始，經(jīng)?？梢钥吹接腥嗽谥貞c江風(fēng)廣場對著天空張嘴，人不少，還排著隊(duì)。

近日，一個(gè)巨大的黑色圓環(huán)悄然出現(xiàn)在大連金石灘上空，它形態(tài)規(guī)整，在空中緩慢移動，一時(shí)間引發(fā)了眾多市民的駐足拍攝。

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由于其前所未見的形態(tài)，有人猜測它是一個(gè)不明飛行物（UFO）或某種未知的空中現(xiàn)象。

在此之前，還有人拍到這樣的：

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這樣的：

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各種各樣的，每年都有：

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其實(shí)，它并非天外來客，而是源于當(dāng)?shù)匕l(fā)現(xiàn)王國主題公園一項(xiàng)表演項(xiàng)目結(jié)尾處，由火焰設(shè)備噴射而成的煙圈。

為何會形成一個(gè)“圈”？

煙圈的環(huán)狀結(jié)構(gòu)是其最顯著的特征，這源于“渦環(huán)”的形成機(jī)制。

當(dāng)一股流體（在這里是含碳顆粒的熱空氣）被迅速地從一個(gè)圓形出口（如炮口）推出時(shí)，位于出口中心的流體速度最快，而靠近邊緣的流體因?yàn)榕c管壁的摩擦力，速度會慢得多。

下圖是老外做的一個(gè)專門產(chǎn)生巨型黑色煙圈的噴火器，在 2005 年燃燒人藝術(shù)節(jié)，內(nèi)華達(dá)州黑巖沙漠進(jìn)行表演：

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由于中心流體前進(jìn)速度快，邊緣流體速度慢，這股流體的前端會開始向外、向后卷曲，就像伸出的舌頭要向后舔到舌根一樣。

這種卷曲運(yùn)動持續(xù)進(jìn)行，最終形成一個(gè)自我閉合的、像甜甜圈一樣的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。環(huán)內(nèi)部的流體不斷地從內(nèi)向外翻滾循環(huán)。

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這個(gè)結(jié)構(gòu)在物理學(xué)上被稱為環(huán)形渦旋或渦環(huán)（Toroidal Vortex）。它是一個(gè)穩(wěn)定、獨(dú)立的流體結(jié)構(gòu)。

煙圈為何是黑色的？

煙圈的顏色取決于構(gòu)成它的顆粒物。在特效表演中，所使用的燃料（通常是柴油或特定煙火藥劑）在設(shè)備中被瞬間點(diǎn)燃并噴射。這個(gè)過程屬于“不完全燃燒”。

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不完全燃燒是指燃料在氧氣不足的條件下燃燒。它會產(chǎn)生大量微小的碳顆粒，也就是我們常說的“煙灰”或“碳黑”。

這些細(xì)小的碳顆粒懸浮在空氣中，因?yàn)槠浔旧聿煌腹馇椅展庾V中的所有可見光，所以我們看到的煙霧呈現(xiàn)為深黑色。這與蠟燭燃燒時(shí)冒出的黑煙，或老式柴油車排放的尾氣，其原理是相同的。

煙圈為何能長時(shí)間保持形態(tài)？

渦環(huán)一旦形成，其內(nèi)部的粒子會以一種有序的方式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。這種旋轉(zhuǎn)賦予了它角動量，使其具有了類似陀螺的穩(wěn)定性。一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺很難被推倒，同樣，一個(gè)旋轉(zhuǎn)的渦環(huán)結(jié)構(gòu)也不容易被周圍的靜止空氣輕易干擾或破壞。

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此外，渦環(huán)作為一個(gè)相對獨(dú)立的系統(tǒng)，它整體向前移動時(shí)，與周圍空氣的能量交換和摩擦較小。環(huán)內(nèi)的空氣被“鎖”在旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中，與外界空氣的混合非常緩慢。

這兩個(gè)因素——內(nèi)在的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和與外界的低交互——共同作用，使得煙圈可以在空中飛行一段距離并保持形態(tài)，直到其內(nèi)部能量耗盡，最終因空氣阻力和內(nèi)部紊亂而逐漸消散。

當(dāng)然，要形成煙圈沒那么簡單，首先最好是瞬時(shí)脈沖式噴射，也就說必須在極短時(shí)間內(nèi)噴射出大量氣體，形成一股強(qiáng)有力的氣流團(tuán)。緩慢釋放的氣體只會形成一縷普通的煙。

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噴口最好是圓形或近似圓形的出口，畢竟這是形成均勻、對稱渦環(huán)的基礎(chǔ)。

最后，就是沒有風(fēng)。如果有風(fēng)，就會產(chǎn)生湍流，迅速撕裂渦環(huán)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，使其無法成型或很快消散。大連當(dāng)天相對平穩(wěn)的天氣為此提供了良好條件。

黑煙圈并不罕見，世界各地都有這樣的報(bào)道，實(shí)在太多了，隨便挑一些給大家看吧。

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總之，大同小異，它們的最常見的來源之一是電力變壓器爆炸。圓柱形的變壓器外殼在爆炸瞬間起到了類似炮筒的作用，將燃燒產(chǎn)生的黑煙噴射成渦環(huán)。

另外，一些特定的火山，如意大利的埃特納火山，以其能“吞云吐霧”般地噴出巨大的天然蒸汽渦環(huán)而聞名。這些渦環(huán)由火山內(nèi)部通道的特定形狀和氣體的脈沖式噴發(fā)共同造就。

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所以，大連上空的那個(gè)圈，并不是什么天外來物，只是一股強(qiáng)勁的煙霧和流體力學(xué)在空中開了個(gè)玩笑。

參考資料：

Shariff, K., & Leonard, A. (1992). Vortex Rings. Annual Review of Fluid Mechanics, 24(1), 235–279.Saffman, P. G. (1992).

Vortex Dynamics . Cambridge University Press.

Gharib, M., Rambod, E., & Shariff, K. (1998). A universal time scale for vortex ring formation. Journal of Fluid Mechanics , 360, 121–130.

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