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撰文 | 苏澄宇
从今年初开始，经常可以看到有人在重庆江风广场对着天空张嘴，人不少，还排着队。
近日，一个巨大的黑色圆环悄然出现在大连金石滩上空，它形态规整，在空中缓慢移动，一时间引发了众多市民的驻足拍摄。
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由于其前所未见的形态，有人猜测它是一个不明飞行物（UFO）或某种未知的空中现象。
在此之前，还有人拍到这样的：
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这样的：
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各种各样的，每年都有：
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其实，它并非天外来客，而是源于当地发现王国主题公园一项表演项目结尾处，由火焰设备喷射而成的烟圈。
为何会形成一个“圈”？
烟圈的环状结构是其最显著的特征，这源于“涡环”的形成机制。
当一股流体（在这里是含碳颗粒的热空气）被迅速地从一个圆形出口（如炮口）推出时，位于出口中心的流体速度最快，而靠近边缘的流体因为与管壁的摩擦力，速度会慢得多。
下图是老外做的一个专门产生巨型黑色烟圈的喷火器，在 2005 年燃烧人艺术节，内华达州黑岩沙漠进行表演：
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由于中心流体前进速度快，边缘流体速度慢，这股流体的前端会开始向外、向后卷曲，就像伸出的舌头要向后舔到舌根一样。
这种卷曲运动持续进行，最终形成一个自我闭合的、像甜甜圈一样的环状结构。环内部的流体不断地从内向外翻滚循环。
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这个结构在物理学上被称为环形涡旋或涡环（Toroidal Vortex）。它是一个稳定、独立的流体结构。
烟圈为何是黑色的？
烟圈的颜色取决于构成它的颗粒物。在特效表演中，所使用的燃料（通常是柴油或特定烟火药剂）在设备中被瞬间点燃并喷射。这个过程属于“不完全燃烧”。
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不完全燃烧是指燃料在氧气不足的条件下燃烧。它会产生大量微小的碳颗粒，也就是我们常说的“烟灰”或“碳黑”。
这些细小的碳颗粒悬浮在空气中，因为其本身不透光且吸收光谱中的所有可见光，所以我们看到的烟雾呈现为深黑色。这与蜡烛燃烧时冒出的黑烟，或老式柴油车排放的尾气，其原理是相同的。
烟圈为何能长时间保持形态？
涡环一旦形成，其内部的粒子会以一种有序的方式旋转运动。这种旋转赋予了它角动量，使其具有了类似陀螺的稳定性。一个旋转的陀螺很难被推倒，同样，一个旋转的涡环结构也不容易被周围的静止空气轻易干扰或破坏。
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此外，涡环作为一个相对独立的系统，它整体向前移动时，与周围空气的能量交换和摩擦较小。环内的空气被“锁”在旋转结构中，与外界空气的混合非常缓慢。
这两个因素——内在的旋转稳定性和与外界的低交互——共同作用，使得烟圈可以在空中飞行一段距离并保持形态，直到其内部能量耗尽，最终因空气阻力和内部紊乱而逐渐消散。
当然，要形成烟圈没那么简单，首先最好是瞬时脉冲式喷射，也就说必须在极短时间内喷射出大量气体，形成一股强有力的气流团。缓慢释放的气体只会形成一缕普通的烟。
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喷口最好是圆形或近似圆形的出口，毕竟这是形成均匀、对称涡环的基础。
最后，就是没有风。如果有风，就会产生湍流，迅速撕裂涡环的稳定结构，使其无法成型或很快消散。大连当天相对平稳的天气为此提供了良好条件。
黑烟圈并不罕见，世界各地都有这样的报道，实在太多了，随便挑一些给大家看吧。
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总之，大同小异，它们的最常见的来源之一是电力变压器爆炸。圆柱形的变压器外壳在爆炸瞬间起到了类似炮筒的作用，将燃烧产生的黑烟喷射成涡环。
另外，一些特定的火山，如意大利的埃特纳火山，以其能“吞云吐雾”般地喷出巨大的天然蒸汽涡环而闻名。这些涡环由火山内部通道的特定形状和气体的脉冲式喷发共同造就。
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所以，大连上空的那个圈，并不是什么天外来物，只是一股强劲的烟雾和流体力学在空中开了个玩笑。
参考资料：
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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