我们常会在吃早饭时喝一碗热乎乎的味噌汤。你有没有注意过,当味噌汤放置一段时间后,原本溶解的味噌会再次出现,并在碗中组成一个个小小的六角形花纹。你知道这是为什么吗?
对流 是指空气、水等气体或液体因不同部位温度不同而产生的相对流动。
若我们仔细观察就会发现,碗中热乎乎的味噌汤表面,会有白色的蒸汽出现。这就是味噌汤表面的水正在蒸发的证据。随着水分的蒸发,味噌汤表面的温度也会下降。
然而,由于碗本身导热较慢,具有一定的保温性,因此下层的味噌汤还保持着热乎乎的状态。表面的汤随着温度下降而下沉,取而代之的是下层的热汤浮上表面,这样碗内便产生了对流。
但碗中的对流并非只有一组,而是有多个小对流同时存在。因此才会出现多个 形状规则 的花纹。
再仔细观察味噌汤中的花纹,可以发现,六角形的边缘部分呈半透明,内部则由于聚集了大量味噌粒子而呈现较浓郁的颜色。这是由于六角形的边缘部分主要是下沉的液体,味噌含量较少;而中心部分则是由底部升起的液体组成,味噌含量较高。
这种对流最早是由法国物理学家瑞利·贝纳德发现的,因此被命名为 贝纳德对流 。由于这种对流的构造十分规则且排列状态形似细胞,故被称为 贝纳胞 。我们在味噌汤中看到的六角形花纹便是一个个贝纳胞。
图1 味噌汤内的变化
图2 味噌汤中的六角形花纹
味噌汤中的贝纳胞与碗中的对流,从中间浓的部位上升,再从周围沉回碗底。
当我们向一个平底容器中注入薄薄一层黏性较高的液体,并从底部对其加热时,若能保持底部平稳、均匀受热的理想状态,则贝纳胞这一非常漂亮的六角形便会出现在我们眼前。
至于为何会呈现出六角形,科学家们大多认为是由于六角形能够均匀地将空间占满。但若是条件发生变化,也可能会出现由 正方形 将空间全部占据的情况。
味噌汤出现的这类花纹,其实有时在我们日常生活中的其他场合也能够见到,你知道是哪里吗?
答案就是 天空 。
你一定见过,一个个小云块十分有规律地排列在一起,布满整个天空,样子十分壮观。这类云在气象学中被称为 卷积云 ,一般会在较高的空中出现。它的成因与味噌汤中“六角形”的产生相类似:温暖的气团上层遇冷,温度下降,便会在高空产生对流,从而形成卷积云。
卷积云常被看作 低气压或台风即将到来 的预兆。
手中的碗与头上的天,竟然会出现同样的现象,实在是件相当有趣的事情。
图3 能够将空间完全填满的图形
图4 卷积云
遗憾的是,大多数情况下,看到这样的云就意味着接连几天是坏天气了。