2014年1月，随着一场灾难性的寒潮席卷北美大部分地区，尤其是导致尼亚加拉瀑布大部分冻结，“极涡”这个词一跃成为流行语。我们可以预期未来这样的极端天气事件将会变得更加频繁
2019年初，美国经历了前所未有的冰冻天气，而全球变暖是罪魁祸首，这听起来是不是很疯狂？落基山脉以东的北美地区经历了寒潮，其气温低至北极般的程度，这是真的，却并非全部真相。与此同时，在世界的其他地区，从澳大利亚到真正的北极，正出现破纪录的温暖天气。
发声的少数人也许会用这种错误的逻辑说事，“我所在之处很冷，所以全球变暖不是真的”，即便是学童都知道天气并不是气候。但是，由于全球变暖和一种你可能听过的现象——极涡（polar vortex）的综合作用，近年来这些极寒的寒潮愈演愈烈。“极涡背后的科学”一图是极涡如何发挥作用的科学原理，以及为何全球变暖会矛盾地在如今的破纪录低温天气中发挥重要作用。
当你想起地球，包括地球的天气、气候和气温，你的脑海中会浮现什么画面？
描绘地球的最好方式是把它看成绕其轴旋转的球体，但是有两种附加效应：大气和海洋。随着地球绕地轴旋转，我们感受到昼夜交替，白天在太阳光照射下感觉天气变暖，夜间在黑暗中感觉天气变冷，因为地球把其储存的热量辐射到太空深处。当我们所处的半球朝着太阳倾斜时，我们就经历了夏季；当我们所处的半球背离太阳倾斜时，我们就经历了冬季。
海洋储存了巨大热量，由洋流把热量从一个地方带到另一个地方。但是，在我们目前经历的这些特别的天气事件中，大气才是最大的成因。
在任何自转的行星上，都会产生叫作“盛行风”（prevailing winds）的效应。随着自转，地球一般会经历3种不同的风，通常分别局限在3个不同纬度地带：
纬度0°~30°地带：盛行信风（trade winds），自东向西吹，汇聚于赤道。
纬度30°~60°地带：盛行西风，自西向东吹，然后上升至北极圈（或下沉至南极圈）。
纬度60°~90°地带：极地环流，通常局限在地球纬度最高的地区。
虽然纬度带不同，这种现象对于大多数快速自转、具有大气的行星都很常见，包括金星、火星、木星和土星。不过，地球有一点特别。
地球的大气循环，包括哈得莱环流（即低纬度环流）、费雷尔环流（即中纬度环流）和极地环流，以及北半球和南半球表示盛行风的6个不同地带
由于地球大气层很稀薄、地球的大幅轴向倾斜、极地上空的云层遮蔽和反射行为以及一系列其他因素，地球赤道和两极之间的温差极大。这种温差在夏季最小，因为那时极区经历几乎24小时的持续日照；冬季温差最大，因为那时极区几乎总是处于黑夜中。
极涡背后的科学
极涡是绕地球北极和南极的大范围低压冷空气。“涡旋”一词指的是帮助更冷空气留在极地附近的逆时针气流（左图）。通常在北半球的冬天，极涡将会变得不那么稳定，而向外扩展，在急流的扰动下，把北极的冷空气向南推进到美国（右图）。
“极涡”并非什么新词——实际上，这一术语最早出现在1853年的刊物《利特尔的生活年代》（E.Littell＇s Living Age）中。
稳定的强极涡（左图）与不稳定的弱极涡（右图）之间的区别：不稳定的弱极涡会导致中纬度地区的寒潮和极寒天气，就像我们现在经历的极寒天气一样
由于赤道和两极之间存在极大温差，因此，在两极存在持续的大范围低压带，以气旋的方式自西向东旋转（在北极是逆时针方向旋转，在南极是顺时针方向旋转）。这两个低压带称为“极涡”，它们均始于大气层上空数英里处，然后充分扩展到平流层。
在极涡下面，你通常会发现大量密度大的冷空气环绕着两个极点。正常情况下，这些极涡足够稳定，因为温差和气压差大到足以让极涡一年到头都留在原地。
当极涡达到最强时，就变成单个环流，空气固定在一定区域。当极涡变弱时，它们会分裂成两个或多个环流，并且开始偏离极点。当极涡变得极弱时，它们会分裂成碎片，其中一些低压、低温的空气会开始与极区之外气压和温度更高的空气发生相互作用。
尽管“极涡”这个词从19世纪中叶就已出现，却鲜有人知道。直到最近10年，极涡变得很弱以致移动到北美和欧亚大陆上空，导致了我们近年来历史上最严寒的冬天，才引起人们关注。
当北极的极涡变得极弱时，地球中纬度地区的高压带（西风带所在之处）会向极点推进，替换冷空气。这导致极涡更加向南移动，而且，急流扭曲并向人口稠密的南纬地区偏离。当来自极区的干冷空气遇到中纬度地区的湿热空气，就会出现剧烈的天气变化，我们习惯上称为“寒潮”。
北半球大部分地区正在经历的极寒天气，恰恰是因为目前正在发生的极涡现象。
但是，为何要把寒潮归咎于全球变暖呢？
答案很简单：因为导致极涡分裂的现象称为“平流层突然变暖”（sudden stratospheric warming），平流层上层的空气在短短几天之内变暖大约30~50℃。北半球有大片的陆地，意味着随着地表温度上升，会把热量传输到更北地区。
极涡现象是如何导致极端天气的具体细节很复杂，不过解释起来却很简单：地表温度越高，尤其是在北美和欧亚大陆北部地区，就会允许越多的热量传输到北极平流层。变暖的地球使得平流层突然变暖事件更大可能和更频繁。而这些事件会使极涡变得不稳定，把冷空气带到中纬度地区，从而导致我们目前正在经历的极端天气。
随着地球持续变暖，这些主要地区的积雪和海冰将会减少，从而改变极涡边界地区的气压和气温梯度。在极端情况下，造成的结果是极涡变弱乃至崩溃。急流的移动是最初的迹象之一，而且已经成为近年来非常频繁的现象。
我们在2014年经历的大寒潮并不是只发生一次的事件。尽管很多人对那场暴风雪记忆犹新，仿佛发生在昨天；但我们完全可以预料，这类极端天气事件在未来几年会成为常态。气候正在发生变化，并且正在以各种方式影响全球各地的天气。
也许自相矛盾的是，恰恰是极冷的强极涡导致人口更稠密的中纬度地区冬天的天气稳定和温暖。这是气候变化产生的效应之一，在最好的情况下，需要几百年才会逆转。目前，冰冻天气和超强寒潮正影响北半球中纬度地区的大部分陆地。
随着地球持续变暖，像这样的极端天气将会变得平常，很多气候学家预测，未来每10年，不稳定的极涡就会带给我们多次这样的暴风雪。欢迎来到极端天气的新常态，拜全球变暖所赐，北极在严冬甚至不能保持寒冷。
资料来源 Forbes
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本文作者天体物理学家伊桑·西格尔（Ethan Siegel）是科学博客《宇宙始于大爆炸！》（Starts With A Bang!）