意大利的埃特纳火山可能是世界上最爱抽烟的火山。在2024年的4月5日，它又吐了一整天的烟圈。
埃特纳火山喷发的烟圈 |左图Maria Liotta，右图Louis F. Cassar
埃特纳火山会时不时表演一下这个绝活，它产生的烟圈比世界上任何同类都要多；最近它吐得尤其开心，一小时就能喷出几十个。这些烟圈白净漂亮，在空中一边漂移一边翻卷，与人们印象中“火山灰遮天蔽日”的景象大相径庭。
五十万年前，一股岩浆从海底喷涌而出，它们在海水中翻滚、冷却、叠加，埃特纳火山便从这小小的熔岩堆开始生长，最终形成了三千多米高的庞大身躯。罗马神话中，这座山下住着火与锻造之神伏尔甘（Vulcan），他的铁匠铺里每天火花四溅，一打就是几千年。
在高达1200℃的玄武岩浆里开一家铁匠铺的可能性实在太小；要喷出如此这么大烟圈，也需要一张人类不可能具有的大嘴。但它们是怎么来的呢？
仔细查看过“烟圈”的形状和颜色后，地质学家发现这些像巨型水母一样在空中飘啊飘的“烟圈”其实相当干净，主要成分是水蒸气，而不是脏兮兮的烟灰。
埃特纳火山在2024年4月喷发的烟圈 | Planet
地质学家们又细细盘点了全球各个活火山口的热成像仪数据，发现这些“烟圈”刚形成时的温度和岩浆表面几乎一致，一旦上升又会迅速变冷，说明它们是从岩浆中产生的。
亚速尔火山烟圈的红外照片丨BEN SIMONS
但这些还远远不够说明“烟圈”是怎么形成的。直到柏林工业大学的研究人员瞥见了一篇1976年的论文，上面写着“火山口喷发气体的噪音和喷气式飞机的噪音非常相似”。
新思路一下子就被打开了：声音相似，那原理是不是也相似呢？他们用麦克风记录了火山口气体喷发的次声波特征，判定了“烟圈”的真身：涡环。
圣海伦斯火山的次声波监听设备“蜘蛛” | 美国地质调查局
吐涡环的秘诀：不黏，还圆
顾名思义，涡环就是打着涡的环，只不过是环自己在转动。这也说明火山涡环和老烟民吐出的圈圈，在原理上半斤八两。
火山“烟圈”的细节
火山涡环形成的两个条件是：不那么黏稠的岩浆，以及一个相当圆的火山口。完美符合条件的火山并不多。
埃特纳火山在近几个世纪以来喷发的都是安山岩和玄武岩岩浆，这类岩浆只含有50~60%的二氧化硅，比较易于流动，因此各种小气泡可以像潜水艇一样在其中浮动，最终合并成一个大气泡。
埃特纳火山正在流动的岩浆 | My Etna Map
这个大气泡会慢慢上升，抵达被堵塞的火山口，加压，再加压，最终“砰”地一下炸开。
接下来的关键就是圆形的火山口了：岩壁会在边缘“搓”一下这团气体，手法有点像早点摊上搓一个面圈。如果火山口的形状够圆，它就能搓出一个以1.5倍音速翻滚的完美白色涡环。
这些涡环可能代表着喷发的迹象——根据当地人的经验之谈，在连续的涡环喷发后，往往会有一次很壮观的火山爆发。这个小技巧并不准确，有时火山口就像是一杯逐渐放凉的咖啡，最终只会将白雾慢慢散去。
看着涡环飞上去还是挺解压的 | Pinterest
流体不经搓，一搓就出涡
流体力学家陆士嘉教授曾说过：“流体不经搓，一搓就出涡”。涡环不止出现在火山口，不论是气体还是液体，只要有合适的条件，就能创造出涡环。
人们曾经多次观察到海豚吐圈圈，最初以为这是捕食水母的专用技巧。经过持久的观察后，人们终于确定了另一个用途：吹着玩。有些海豚甚至会连续吹两个涡环让它们交替前进。
涡环圈圈可以“捕获”水母，并让它疯狂旋转 | newsflare
植物界利用涡环的优秀代表则是蒲公英，它可以靠绒毛在正上方形成小小的涡环，用微弱的气流让自己远走高飞。
相比之下，人类在利用涡环时就没那么和谐。我们还没能琢磨清楚涡环背后的物理规律，就创造出了简单粗暴的经典应用：空气炮。
捷克的电视节目《自然奇观》曾经制作过一款“雷声大雨点小”的空气炮，在百米开外也能击倒纸箱。与冲击力相比，它巨大的噪音貌似更有杀伤力。美国曾经用类似的空气炮来阻止冰雹雨云的形成，但同样因为噪音太大，容易被附近的居民投诉，因此很少被实际投入使用。核弹蘑菇云也是一种涡环，只不过它并非横向飞行，而是向上翻滚。
射程可达百米的空气涡环加农炮 | Zázraky pírody
得益于涡环一边旋转一边前进的特性，空气炮的射程和威力都很强，于是人们想到了利用它来搞清洁。在发电厂和垃圾焚烧厂，运送煤炭的管道经常会发生粘连和堵塞，水洗要停工，人力更费时。如果时不时来一发空气炮，就能把灰尘和堵塞的煤渣吹走，省心省力。
如果你喜爱动手，这里有两个低配版的空气炮体验方法：
将矿泉水瓶剪开，在剪口处蒙一层气球皮，将烟小心翼翼地灌进瓶中，接下来只要轻轻拍打气球皮，就能看到飞出的烟圈了。
涡环烟雾制造器青春版 | bilibili:爱科学的熊猫
还有一个手工含量为零的办法：找一个柔软的矿泉水瓶，将瓶盖拧松，再用力拧瓶身，直到拧不动为止。最后，用大拇指快速将瓶盖旋开。如果顺利的话，你可以看到瓶盖迅速飞出，水蒸气也会因为突然的压强变化而变成肉眼可见的白雾。这种办法看不见涡环，当个廉价版的空气炮倒是绰绰有余。
拧瓶盖的手法和技巧也很重要 | 二次元的中科院物理所
或许我们很难直观地将这一团模糊的水雾与喷气发动机联系起来，就像海豚无法理解它吐着玩的气泡圈和原子弹的云尘有着相同的成因。
当瓶盖飞出时，它与遥远的埃特纳火山有了一瞬的重合：相同的规律可以驱动瓶盖，也能让火山弹一飞冲天。我们可以利用涡环创造出空气炮，也可以通过研究它让飞机更稳当。
大自然从不吝于隐藏规律。
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/etna0002photovideo-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
本文来自微信公众号：果壳 （ID：Guokr42），作者：深思，编辑：Luna