火神所居住的这座火山，会吐出超音速的“烟圈”

埃特纳火山在意大利可能是世界上最喜欢吸烟的火山。2024年4月5日，它又吐了一整天烟圈。

烟圈在埃特纳火山爆发 |Maria左图 Liotta，右边的Louis F. Cassar

埃特纳火山会时不时地表演这个绝技，它产生的烟圈比世界上任何其他类似的人都多；最近吐得特别开心，一个小时就能喷出几十个烟圈。这些烟圈白皙美丽，在空中漂移翻滚，与人们对“火山灰遮天蔽日”的印象大相径庭。

50万年前，一股岩浆从海底喷涌而出。当它们在海水中滚动、冷却和叠加时，埃特纳火山开始从这个小熔岩堆中生长，最终形成了一个3000多米高的巨大身体。在罗马神话中，伏尔甘甘住在这座山下，起火和锻造之王（Vulcan），每一天，他的铁匠店里都充满了火花，一打就是几千年。

在高达1200℃的玄武岩浆中开一家铁匠店的概率太小了；如果你想喷这么大的烟圈，你也需要一张人类无法拥有的大嘴。但是他们是怎么来的呢？

经过仔细检查“烟圈”的形状和颜色，地理学家发现，这些像巨型水母一样漂浮在空中的“烟圈”其实是相当干净的，主要成分是水蒸气，而不是脏烟灰。

2024年4月，埃特纳火山喷发烟圈 | Planet

地理学家仔细盘点了世界上每个活火山口的热成像仪数据，发现这些“烟圈”刚形成时的温度与岩浆表面几乎一致，一旦上升，就会迅速变冷，说明它们是从岩浆中产生的。

亚速尔火山烟圈的红外线照片 SIMONS

但这些远远不足以表明“烟圈”是如何形成的。直到柏林工业大学的研究人员看到一篇1976年的论文，上面写着“火山口喷气的气体噪音和喷气飞机的噪音非常相似”。

新思路突然打开:声音差不多，原理差不多吗？他们用麦克风记录了火山口气体喷发的次声波特征，判断了“烟圈”的真实面貌:涡环。

圣海伦斯火山次声监听设备“蜘蛛” | 美国地质调查局

吐涡环的秘诀：不粘，还圆。

顾名思义，涡环就是一个叫涡的环，只是环本身在旋转。这也说明了火山涡环和老烟民吐出的圆，原则上是半斤八两。

火山“烟圈”的细节

造成火山涡环的两个标准是：不那么粘的岩浆，以及相当圆的火山口。完美符合条件的火山并不多。

近几个世纪以来，埃特纳火山喷发了安山岩和玄武岩岩浆。这种岩浆只含有50~60%的二氧化硅，容易流动。因此，各种小气泡可以像潜艇一样波动，最终合并成大气泡。

流动岩浆的埃特纳火山正在流动 | My Etna Map

这一大气泡将逐渐上升，到达堵塞的火山口，加压，再加压，最后“砰”一声爆开。

下一个关键是圆形火山口:悬崖会在边缘“摩擦”这个气体，手法有点像早点摊上摩擦一个面圈。如果火山口的形状足够圆，它可以以1.5倍的速度摩擦一个完美的白色涡环。

这些涡轮环可能代表着喷发的迹象——根据当地人的经验，涡轮环连续喷发后，通常会有壮观的火山爆发。这个小技巧不准确。有时候火山口就像一杯逐渐冷却下来的咖啡，只会慢慢消散雾气。

看着涡环飞起来还是挺解压的。 | Pinterest

液体不经摩擦，一摩擦就会产生涡流。

流体力学家陆士嘉教授曾经说过:“液体不摩擦，一摩擦就会产生涡流”。涡轮环不仅出现在火山口，而且只要有合适的条件，无论是气体还是液体，都能产生涡轮环。

大家都观察过很多次海豚吐圈，一开始以为是捕食水母的特殊技能。经过长时间的观察，我们终于确定了另一个目的:玩。一些海豚甚至会继续吹两个涡轮，以取代它们。

涡轮圈能“捕捉”水母，并使其疯狂旋转。 | newsflare

蒲公英是植物界使用涡环的杰出代表，它可以通过绒毛在上面形成一个小涡环，利用微弱的气流使自己远走高飞。

相比之下，人类在使用涡轮环时并不那么和谐。在我们能够理解涡轮环背后的物理规律之前，我们创造了一个简单粗暴的经典应用:空气炮。

捷克的电视节目《自然奇观》曾制作过一个“雷声大雨点小”的空气炮，在100米外还可以击倒纸箱。与冲击相比，它的巨大噪音似乎更具杀伤力。美国曾经用类似的空气炮来阻止冰雹和雨云的形成，但由于噪音太大，附近的居民很容易抱怨，所以很少投入使用。核弹蘑菇云也是一种涡环，但它并非横向航行，而是向上滚动。

空气涡环加农炮射程可达100米。 | Zázraky pírody

由于涡轮环向前旋转的特点，空气炮具有很强的射程和威力，所以人们想到用它来清洁它。在发电站和垃圾焚烧厂，运输煤炭管道经常发生粘连和堵塞，洗涤应停止工作，这需要更多的时间和人力。如果时不时有空气炮，可以吹走灰尘堵塞的煤渣，省时省力。

假设你喜欢动手，这里有空气炮2个低配版的感受方法：

切开矿泉水瓶，在切口处蒙上一层汽球皮，小心翼翼地将烟倒入瓶中，然后轻轻拍打汽球皮，就可以看到飞出的烟圈。

涡轮烟雾制造器青春版 | bilibili:爱情科学的熊猫

还有一种手动含量为零的方法:找一个柔软的矿泉水瓶，拧松瓶盖，然后用力拧瓶体，直到拧不动为止。最后，用拇指快速拧开瓶盖。如果顺利的话，可以看到瓶盖飞得很快，水蒸气会因为压力的突然变化而变成肉眼可见的雾。这种方法看不到涡轮环，所以做一个便宜的空气炮绰绰有余。

拧瓶盖的技术和技巧也很重要。 | 中科院物理研究所二次元

也许我们很难直观地将这种模糊的水雾与喷气发动机联系起来，就像海豚不能理解它的气泡圈和核弹的云有着相同的原因一样。

当瓶盖飞出时，它与遥远的埃特纳火山有着瞬间的重叠:同样的规则可以驱动瓶盖，也可以让火山飞起来。我们可以用涡环来创造空气炮，我们也可以通过研究它来使飞机更加稳定。

自然界从不吝啬隐藏规律。

参考文献

[1] Pulvirenti F, Scollo S, Ferlito C, et al. Dynamics of volcanic vortex rings[J]. Scientific Reports, 2023, 13(1): 2369.

[2] Taddeucci J, Peña Fernández J J, Cigala V, et al. Volcanic vortex rings: Axial dynamics, acoustic features, and their link to vent diameter and supersonic jet flow[J]. Geophysical Research Letters, 2021, 48(15): e2021GL092899.

[3] https://www.nationalgeographic.com/science/article/volcanoes-blow-smoke-rings-now-we-know-how

[4] https://www.livescience.com/planet-earth/volcanos/eerily-perfect-vortex-rings-keep-blowing-out-of-europes-most-active-volcano-heres-why

[5] https://www.accuweather.com/en/weather-news/mysterious-rings-rise-above-mount-etna/1638001#google_vignette

[6] https://www.swisseduc.ch/stromboli/etna/etna00/etna002photovideo-en.html

[7] https://www.go-etna.com/blog/myths-and-legends-about-mt-etna/

[8] Branca S, Coltelli M, Groppelli G. Geological evolution of a complex basaltic stratovolcano: Mount Etna, Italy[J]. Ital. J. Geosci, 2011, 130(3): 306-317.

[9] https://www.go-etna.com/etna-aktiv/mount-etnas-great-show-of-gas-rings/

[10] https://www.usgs.gov/media/images/deploying-spider-volcano-monitoring-equip-mount-st-helens

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