不知不覺2020年已經載入了97%，不少地方都掛起了漂亮的小彩燈準備迎接新的一年。
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聖誕節作為西方孩子們充滿期待的一個節日，也是一個送禮物熱潮期。雖然知道聖誕老人是一個像孫悟空一樣的虛構人物，但我仍然好奇聖誕老人是怎麼發放禮物的？
如果聖誕老人只給18歲及以下的小朋友送禮物，根據國家統計局第六次人口普查資料，0-18歲人口約
3億
，我國陸地面積約
960萬平方千米
，假設聖誕老人僅在中國地區工作
24小時
，並且3億個小夥伴均勻地分佈在我國陸地上，那麼聖誕老人需要在1/3472秒內從一個孩子跑到下一個小孩那裡，且他的平均速度估算為：
大約是光速的千分之二、聲速的兩千倍
，而聖誕老人要以如此高的速率運動，除了需要非常強大的電子馴鹿之外，還會產生不少有趣的物理現象，比如“
音爆
”。大家可能單從這個物理現象的名字看，就能感覺到它具有不小的威力。
《Simpsons》
實際上，音爆現象在我們的日常生活中也很常見。想必大家見過甩皮鞭吧？拿一根稍長的，尾部質地較軟的繩子用力地向下一揮，每一鞭甩出去後，都能聽到清脆且響亮的“啪”一聲，其實這就是
音爆現象
。正常情況下，鞭子的振動並不會發出那麼大的聲音，能發出那麼大的聲音是因為鞭子的尾部運動速率非常快，達到了
超音速
，而每一次甩鞭，都是鞭子尾端在超過聲速時產生的一次小小的“音爆”。厲害吧，可不要小瞧了手裡的小皮鞭，我們隨時就能用它製造出超音速的效果。
什麼是音爆
那麼到底什麼是音爆呢？
我們知道，不管是什麼
物體在空氣中運動總會受到阻力
，這個阻力會使物體受到擾動，特別是當速度接近聲速（空氣中聲速在1個標準大氣壓和15℃的條件下約為340 m/s）的時候，這個阻力會陡增，使物體產生強烈的震盪，速度衰減，如同一個無形的屏障一般，我們稱其為“
音障
”。然而，如果我們給這個物體施加足夠強大的推進力，讓它達到超音速衝破這個音障的時候，就會產生一個強大的衝擊波，我們的耳朵也會聽到“啪”的爆炸聲，這就是形成了
音爆
。
飛機突破音障 | 來源：Imgur。com
因此，簡單來說，
音爆就是物體在空氣中運動超過聲速時產生的巨大沖擊波造成的響聲
。通常威力巨大的音爆現象是由超音速戰鬥機或者其他超音速飛行器跨音速飛行時產生的。事實上，人類第一次突破音障產生音爆也是透過飛機完成的。
1947年10月14日，美國人查爾斯·耶格爾 （Charles E。 Yeager），駕駛一架貝爾XS-1型火箭發動機飛機“迷人的格倫尼斯號”（Glamorous Glennis），以1。015馬赫（1078。23千米/小時）的速度飛越了加利福尼亞州的愛德華茲空軍基地， 伴隨著空中的一團雲霧和一聲巨響，這是人類第一次突破音障，這個飛行員也是第一個將聲音拋在後面的人。
Charles E。 Yeager
音爆產生的原理
那麼音爆到底是怎麼產生的呢？
就如同將石子扔進湖中，水面形成的一圈圈波紋一樣，物體在空氣中運動會對空氣造成擠壓，產生擾動，形成波。
事實上，聲音在空氣中的傳播就是透過波實現的，我們可以將聲波想象成從一個小圓點（聲源），向四面八方發出的一個個圓，每個圓就代表聲音在空氣中的“波浪”。
Sonic Boom | 來源：wiki
當聲源不動的時候，其產生的聲波就是一個個的同心圓，而當聲源開始運動，我們會發現在運動方向的前方的聲波圓之間距離會變得接近，我們接受到的聲音的頻率會變高，這就是多普勒效應，這也是為什麼在馬路上向你迎面駛來的車的轟鳴聲會變得尖銳的原因。
多普勒效應 | 來源：wiki
當飛機運動的速度接近聲速的時候，它便可以
追上自己所發出的聲波
——前一個時刻發出的聲波圈傳播到一個位置，飛機也差不多運動到這個位置了，因此這些聲波圈會擠壓在一起。速度越接近聲速，這些聲波圈就會擠壓得越靠近，形成
激波面
，當飛機達到並超過聲速時，其對空氣造成的壓縮無法及時傳播出去，逐漸在飛機前面壓縮累積，形成一道無形的牆，飛機在突破這道牆的時候，聲波的能量在飛機頭部高度集中，這些能量傳到人耳的時候我們就能聽見短暫而強烈的爆炸聲，這就產生了
音爆
。
透過以下的圖我們能更加直觀地體會到
音爆產生的原理
，在飛機的頭部，空氣的壓強激增，經過激波面之後，壓強降低，並在飛機尾部迅速地回升至正常的壓強，壓強的變化呈現一個N字形，因此也叫做
N形波
。當空氣的壓強急劇變化的時候便會產生音爆，因此飛機在超音速飛行的時候，我們應該能感受到
兩次音爆
，第一次是機頭前方空氣被劇烈壓縮，壓強激增造成的，第二次是空氣在機尾壓強突然回升到正常值導致的。這兩次音爆的強度基本相同。
音爆雲的產生
前文中也提到，當飛機高速運動突破音障時，不僅可能出現音爆現象，還可能在飛機尾部出現錐形的雲霧，看起來就好像給飛機穿上了白色的斗篷，但馬上又會消失得無影無蹤，這也就是所謂的
音爆雲
（學名為Prandtl-Glauert condensation clouds，普朗特-格勞厄脫凝結雲）。
那麼音爆雲又是如何產生的呢
？其實，在飛機超音速運動的時候，與飛機頭部形成激波的原理恰好相反，在飛機的尾部，空氣的流速會短暫地出現跟不上飛機運動的情況，產生一種
稀疏效應
，正如前文壓力分佈的圖中所描述的那樣，機尾附近的壓強會低於周邊壓強。
這種稀疏效應會導致空氣短暫地降溫冷卻，如果大氣的溼度與溫度適宜的話，空氣中的水蒸氣就有可能因為這個短暫的冷卻而凝結成小水滴，在機尾的部分形成凝結雲。但是，這種凝結雲的出現時間比較短暫，一般只有幾秒鐘的時間，當壓強恢復到正常的時候，馬上就會消失得無影無蹤。
值得注意的是，雖然我們稱這種凝結云為音爆雲，
但它的出現並不需要超音速
，當大氣的溼度很高，且大氣溫度在水的凝結點附近時，飛機不需要達到超音速也可能披上這白色的斗篷。
音爆聲會震聾馴鹿的耳朵嗎？
“音爆”的強弱及其對地面影響的大小
與
飛機飛行高度
有著直接的關係，因為激波造成的音爆的強度會隨著傳播距離的變遠而減弱。當飛機作低空超音速起降或者飛行時，地面的人們會聽到震耳欲聾的巨響，影響生活和工作，嚴重的甚至還可以震碎玻璃，損壞不堅固的建築物，造成直接的經濟損失。正因為音爆會產生強大的能量，不少地區對超音速飛機橫越地面飛行設下嚴格限制。
不過飛機內部的飛行員並不會聽到音爆。
超音速飛行後，飛行員反而會覺得周圍安靜很多，因為
飛機的速度已經超過了音速
，外部產生的聲音都被拋在了飛機後面。飛行員只能聽到飛機本身發出的聲音，其他的聲音一點都聽不見。因此如果馴鹿在某個特殊屏障內突破音障，並不會有什麼特別的感覺。
普通馴鹿 | 來源：百度百科
看來就算是真的存在聖誕老人，這個職位也不好當，即使有足夠強勁的電子馴鹿能確保禮物能按時送到，每次出發還得心平氣和地把自己的坐騎升到萬米高空，要是心急趕路，在低空超音速起降，街坊鄰居可得遭殃受罪了。經典物理怕是在聖誕老人這行不通。
參考資料：
［1］ 日本物理學家認為：聖誕老人飛過天空會產生音爆
［2］ 第六次人口普查資料
［3］ 百度百科詞條： 音爆
［4］ Wikipedia： Condensation clouds
［5］ Wikipedia： Sonic boom
［6］ Wikipedia： Rarefaction
［7］ 知乎： 音爆是怎麼形成的？
編輯：小林綠子
