Мертвая и живая вода

Внутренние волны. Вот какой удивительный случай произошел однажды с Ф. Нансеном на "Фраме".

При подходе к кромке льда вдруг резко замедлился ход судна. Машина работала на полных оборотах, а «Фрам» едва двигался. Как будто его кто‑то удерживал. Небольшое расстояние до кромки льда судно шло дольше, чем шлюпка под веслами… А вокруг была глубокая чистая вода, не считая отдельных небольших льдин на поверхности. Никаких видимых препятствий для движения. В чем же дело?

Происшествие это случилось во время экспедиции Ф. Нансена в высокие широты Арктики. В этой экс педиции было сделано много открытий: опровергнуто мнение о мелководности Северного Ледовитого океана, исследована структура и происхождение его водных масс, открыто влияние вращения Земли на движение льдов и др. В том числе обнаружено явление мертвой воды. Явление это впервые изучалось братьями Холлами еще в 1830 г. Теоретически оно было обосновано норвежским ученым Б. Экманом незадолго до экспедиции Ф. Нансена. Но до случая с «Фрамом» никто не думал, что мертвая вода может иметь такую силу.

Впрочем, неожиданные торможения движения судов в открытом море были известны и раньше. Парусные суда под действием мертвой воды сбивались с курса и переставали слушаться руля. Мореплаватели обвиняли в этом рыбу – прилипалу, будто бы присосавшуюся к днищу судна и способную тормозить его ход.

Эффект мертвой воды объясняется затратой энергии машины судна на образование и преодоление внутренних волн. Они возникают на границе раздела двух слоев воды с разной плотностью, так же как обычные поверхностные волны, которые образуются на границе раздела вода – воздух. Их хорошо видно благодаря отражению света от поверхности волн. Мы любим наблюдать за их бегом, следя за появлением «девятого» вала. Кстати, физики до сих пор спорят, есть он или нет.

С наблюдением за внутренними волнами дело обстоит гораздо сложнее. Они невидимы.

В 7 ч 30 мин 10 апреля 1963 г. американская атомная подводная лодка «Трешер» начала глубоководное погружение в Атлантическом океане в 220 милях от Бостона. На ее борту кроме штатного экипажа находились 17 гражданских специалистов – представителей промышленных фирм и завода – строителя. Цель погружения – проведение испытаний лодки на предельной глубине – до 360 м.

Командир лодки был обязан по гидроакустическому каналу выходить на связь с обеспечивающим судном «Скайларк» каждые 15 мин. В 9 ч 17 мин «Скайларк» принял последнее сообщение, из которого удалось разобрать только два слова: «…предельная глубина…» После чего на судне услышали шум, оцененный как разрушение прочного корпуса лодки. «Трешер» затонула на глубине 2800 м.

Ученые предполагают, что причиной гибели подводной лодки стали внутренние волны. В тот день в районе испытаний свирепствовал циклон. Он мог вызвать внутренние волны. Известно, что метеорологические явления вызывают генерацию внутренних волн. Позднее в этом районе были зарегистрированы мощные внутренние волны высотой до 100 м и периодом колебаний около 8 мин. Такие волны легко могли «затащить» лодку на глубину ниже предельной, на которую был рассчитан ее прочный корпус.

В 1969 г. во время подводного плавания на мезоскафе «Бен Франклин» в Гольфстриме руководитель экспедиции Жак Пикар отметил, что внутренние волны периодически поднимали «Бен Франклин» вверх на 30 м и тут же без какого‑либо вмешательства со стороны экипажа опускали мезоскаф за несколько минут на 50 м вниз.

Превышение максимальной глубины погружения «Трешера» на 50 м, т. е. на глубину 410 м, при весьма напряженных нормах расчета на прочность, принятых в США, естественно, привело к катастрофе. Попросту говоря, не хватило запаса прочности.

Советские ученые отмечают еще одну возможную причину: циклон вызвал сильное вихревое движение вод океана в районе погружения, что способствовало интенсивному перемешиванию верхнего слоя океана. В результате теплая вода (более легкая) из верхнего слоя могла быть затянута вниз. Если «Трешер» неожиданно попал в слой теплой воды вблизи предельной глубины, то он мог попросту провалиться ниже максимально допустимой отметки. Экипаж не успел продуть балластные цистерны.

Известны и другие физические процессы, которые угрожают целости подводных кораблей. Примерно в то же время погибла французская подводная лодка. В северо – западной части Средиземного моря она, видимо, попала в особый участок моря, где был «колодец». Так теперь иногда называют большое пятно на поверхности моря с холодной водой. Температура воды на поверхности «колодца» близка к температуре воды у дна. Может быть, даже чуть – чуть ниже, а соленость выше из‑за усиленного испарения воды с поверхности моря под влиянием ураганного ветра. В результате нарушается устойчивость: плотность воды у поверхности «колодца» становится выше плотности нижележащих слоев.

Поверхностная вода начинает опускаться вниз, на дно. Образуется конвективная ячейка, называемая глубокой конвекцией. Иногда образуется гигантский подводный водопад. Подводному судну, попавшему в такой поток, грозит гибель – его неминуемо унесет в глубину, где корпус его будет раздавлен повышенным гидростатическим давлением. Это явление очень мало изучено. Необходимо выяснить условия, вызывающие его образование. Ведь известно, например, что снежные лавины срываются иногда с гор из‑за самого слабого звука. Может ли вход подводной лодки в зону проникающей конвекции вызвать обрушение? Это одна из загадок Мирового океана.

Давно ушли в прошлое времена, когда капитан Немо погружался на своем «Наутилусе» в тихие глубины океана от всех земных горестей. Мировой океан оказался куда сложнее, чем он представлялся раньше. Для безаварийного плавания в его глубинах требуется не только постоянная бдительность, но и новые приборы, которые предупреждали бы штурманов о разных сюрпризах. Но вернемся к внутренним волнам.

В обычных условиях мы не можем их видеть. Но в школьном кабинете физики или даже дома можно поставить опыт с подкрашенной водой, что позволит наблюдать внутренние волны. Для этого надо иметь стеклянную (или пластиковую) трубку диаметром 4–5 см, длиной около 1 м. Один конец трубки должен быть запаян или заклеен. Впрочем, его можно плотно закрыть пробкой. Надо еще иметь и вторую пробку для закрывания другого конца трубки в ходе опыта.

Поставьте трубку наклонно на стол (закрытым концом вниз) и налейте в нее очень соленой воды примерно на ¹/₃ высоты. Ее надо приготовить заранее, растворив 200–250 г. поваренной соли в 1 л воды.

А теперь долейте в трубку пресной воды, подкрашенной какой‑нибудь краской, примерно до ²/з ее высоты. Доливать воду надо так осторожно, чтобы струи подкрашенной воды не проникали в столб соленой воды (воду надо лить очень медленно, может быть, даже несколько увеличить наклон трубки). Когда вся подкрашенная вода будет вылита в трубку, закройте пробкой ее верхний конец и медленно переведите трубку в вертикальное положение. А потом быстро наклоните ее до горизонтального положения. Во время наклона трубки вы увидите, как побегут внутренние волны между слоями двух переливающихся жидкостей.

Это – красивый опыт. Волны можно даже успеть сфотографировать. Подобная фотография приведена на рисунке на с. 114. Вместо соленой воды можно взять какое‑нибудь жидкое масло, например трансформаторное или силиконовое. Для успеха опыта не так важен химический состав жидкостей, как разность их плотностей. При использовании масла в качестве одной из жидкостей, вторую подкрашивать не требуется.

Фотография внутренних волн, образовавшихся в стеклянной трубке.

Подобным способом в лаборатории можно моделировать явление образования внутренних волн, имеющее в наше время большое значение. Опыт позволит легче понять механизм неожиданного торможения «Фрама». В том участке Арктического бассейна, где это произошло, в поверхностном слое океана скопилась пресная вода от растаявших льдов. Она легче соленой, поэтому и осталась сверху. Образовалась слоистая структура вроде слоеного пирога.

Наличие слоистой структуры – обязательное условие для генерации внутренних волн. Океанологи в таких случаях говорят об устойчивой стратификации океана. Без нее внутренние волны невозможны. Устойчивая стратификация означает, что слои воды находятся в механическом равновесии.

Движение судна дало механический импульс, заставивший закачаться зыбкую границу между двумя слоями воды. На ней образовались волны, похожие на те, что мы наблюдаем на поверхности, когда бросаем в воду камешек. От места падения камня по поверхности воды разбегаются кольцевые волны. То же произошло и в данном случае, только волны пошли не на поверхности, а в глубине, на подводной пограничной плоскости между двумя слоями. «Фрам» выполнил роль камешка, точнее – его носовая волна. Она вывела частицы воды из равновесия.

Амплитуда возникших внутренних волн обычно гораздо больше поверхностных. Это происходит благодаря меньшей разности в плотности между соленой и пресной водой по сравнению с разностью в плотности между любой водой и воздухом. Сила тяжести для частиц воды во внутренних волнах играет роль восстанавливающей силы: она направлена вниз – когда частицы находятся выше положения равновесия, вверх – когда они вследствие инерции опустились ниже положения своего равновесия (до возмущения).

Гребень внутренней волны оказался достаточно высоким и достиг киля «Фрама». Чтобы двигаться вперед, судну пришлось как бы толкать внутреннюю волну перед собой. Гидродинамики в таком случае говорят о преодолении волнового сопротивления. А на это нужно много энергии. Мощности машины «Фрама» не хватило, чтобы «оторваться» от волны. В результате скорость судна резко упала. Падение скорости особенно велико, если скорость движения судна совпадает со скоростью распространения внутренней волны.

Исследования последних лет показали, что внутренние волны в Мировом океане встречаются столь же часто, как и поверхностные волны. Механизмы генерации внутренних волн весьма разнообразны: колебания атмосферного давления, скорости ветра, обтекание неровностей дна, подводные землетрясения, приливообразующие силы и другие факторы. В Гибралтарском проливе обнаружены внутренние волны высотой около 200 м!

Расширились наши знания и о возможностях внутренних волн, о различных явлениях, которые они могут вызывать. Установлено, например, что внутренние волны могут не только тормозить движение надводных судов, но иногда и раскачивать их. Внутренние волны турбулизируют толщу океана, что затрудняет связь по акустическому каналу. Они могут размывать подводные склоны, вызывать оползни, взмучивать воду, вызывать течения на поверхности и производить другие эффекты. Словом, с ними необходимо считаться.

Изучение внутренних волн. Как определить, есть внутренние волны в океане или нет? Точно ответить на этот вопрос не так‑то просто. О внутренних волнах известно еще очень мало, и любая получаемая из космоса информация о них имеет исключительную ценность. Чем больше у нас будет фактических данных, тем проще определить закономерности появления динамических эффектов в акваториях и их последствия. С помощью орбитальных аппаратов удается в короткие сроки осмотреть весь земной шар.

Спутник передает не только фотографии, но и сведения о температуре отдельных участков океана, направлении и скорости ветра у воды и другую информацию.

Существенную роль играет визуальный контроль с судов и самолетов. Внутренние волны образуют на поверхности океана слики. Так называются выглаженные области поверхности, отличающиеся по оптическим свойствам от окружающей воды. Речь идет о полосах и пятнах на поверхности морей и океанов, резко отличающихся по своему виду от соседних участков. Причем дело не только в изменении оптических свойств, но также и в изменении механических характеристик поверхности. Сликовые пятна и полосы выглажены, т. е. на них приглушено волнение. Поэтому они хорошо выделяются на фоне окружающей их взволнованной поверхности воды. Факт связи появления сликов с внутренними волнами в основном установлен. Однако слики могут образовываться и под влиянием других факторов. Появление сликов может вызвать пленка нефти или иных поверхностно – активных веществ. Слики получаются при образовании водоворотов и циркуляций Ленгмюра (особого вида поверхностных волн).

Еще один способ контроля – наблюдение за распределением пены и водорослей на поверхности воды. Они могут собираться на линиях конвергенции. Действие поверхностно – активных веществ вызывает гашение коротких поверхностных волн и образование сликов, что и затрудняет контроль.

Более надежен инструментальный способ контроля. Имеются измерительные приборы, позволяющие достаточно точно судить о присутствии внутренних волн в океане и определять их характеристики. Один из самых простых и надежных – антенна К. Д. Сабинина. Основная часть прибора – антенна, длинный кусок изолированного кабеля с грузом на нижнем конце. Верхний конец кабеля крепится к буйку, плавающему на поверхности, и соединяется с судном. Можно спускать антенны не с буя, а прямо с борта научно – исследовательского судна, подобные измерения производить и на ходу судна. В этом случае вместо простейших антенн необходимо использовать более сложные измерительные системы, называемые термокосами (несколько десятков преобразователей, т. е. датчиков температуры, укрепленных на общем кабеле через равные расстояния по вертикали). Таким образом, при регистрации на ходу несколько усложняется обработка получаемых записей. На судне находится обрабатывающая (ЭВМ) и регистрирующая аппаратура.

Информация о внутренних волнах получается путем регистрации колебаний электрического сопротивления. При прохождении внутренних волн электрическое сопротивление антенны или датчиков периодически изменяется благодаря колебаниям температуры. Под влиянием внутренних волн изотермы вместе с массами воды океана совершают колебания в вертикальной плоскости. Холодные и теплые слои океана периодически поднимаются вверх или опускаются вниз от своего обычного положения равновесия с частотой внутренних волн. Конечно, длина кабеля – антенны или термокосы по вертикали должна быть не меньше высоты внутренних волн в слое, где они регистрируются, да еще необходимая «притравка», чтобы достигнуть этого слоя.

Известны и другие приборы для измерения параметров внутренних волн. Доставить приборы в район измерений не всегда просто, но всегда дорого. Ведь для этого надо послать научно – исследовательское судно. И не всегда это можно сделать быстро. Самый современный и наиболее оперативный способ получения информации о внутренних волнах – исследование поверхности океана из космоса.

Наблюдение за внутренними волнами из космоса дает возможность быстро получить информацию о подводных штормах в разных районах Мирового океана. Это очень важно. Развитие подводного судоходства требует знания подводной погоды в океане. Предложены, например, подводные танкеры (значительно экономичнее обычных) для перевозки больших количеств нефтепродуктов. Высокие внутренние волны могут повредить их. При добыче подводных руд также, видимо, придется считаться с возможным воздействием мощных внутренних волн. Детальное изучение природы внутренних волн требует применения одновременно с космическими методами и корабельных средств.

О частоте внутренних волн. Одна из особенностей внутренних волн – низкая частота колебаний. Обычно она составляет малые доли герца. Поэтому удобнее говорить не о частоте их колебаний, а о длительности периода. В зависимости от условий он чаще всего изменяется в пределах от нескольких минут до многих часов. Например, период колебаний самых больших внутренних волн в Гибралтарском проливе – более полусуток.

Частота внутренних волн в основном зависит от градиента плотности. Он может изменяться в широких пределах. Пропорционально квадратному корню из его значения изменяется и частота образующихся внутренних волн. Например, для внутренних волн с периодом 8 мин (т. е. 480 с), наблюдавшихся в районе гибели «Трешера», частота равна около 0,002 Гц при градиенте плотности, примерно равном 6,410^‑4 г/см⁴.

Давно известны были и более короткие внутренние волны с периодом 5 и даже 2 мин. А сравнительно недавно было опубликовано сообщение об обнаружении внутренних волн с периодами около 1 с и даже короче – десятые доли секунды. Такие волны первоначально были зарегистрированы, как сообщается, на морских экспериментальных станциях Тихоокеанского океанологического института Дальневосточного научного центра Академии наук СССР в бухте Витязь и на острове Попова в Японском море. Они были обнаружены летом 1982 г. в Средиземном море во время первого рейса научно – исследовательского судна «Академик А. Несмеянов».

14 июня 1982 г. на одной из станций в Средиземном море на глубинах от 15 до 25 м при штилевой погоде было получено много записей внутренних волн с периодами от 56 до 0,5 с. А на пределе разрешения применявшейся приемной аппаратуры были даже отмечены волны с периодом всего 0,3 с. Наиболее четкими и часто повторяющимися оказались записи внутренних волн с периодом 2 с. Они шли отдельными цугами («пакетами»). Распространение отдельными «пакетами» различной длительности – одна из особенностей, характерная и для ранее известных более низкочастотных внутренних волн. Они редко ходят более или менее непрерывными порядками, как поверхностные волны. С этой стороны ничего особенного нет. Тут удивительно другое. Чтобы частота внутренних волн имела порядок 1 Гц, согласно формуле Вяйсяля – Брента, градиент плотности в слое их распространения должен быть больше взятого в предыдущем примере в 230 тыс. раз. Следовательно, он должен быть 147 г/см⁴, что практически невозможно.

Одновременно с регистрацией необычных внутренних волн производились многократные исследования толщи моря с помощью измерительного комплекса «Исток». Это один из лучших отечественных приборов такого типа. «Исток» позволяет получать профили распределения по вертикали температуры и электропроводности, а по ним вычислять распределение солености и плотности. Но прямого распределения плотности он не дает.

Измерения показали, что наблюдаемые градиенты плотности явно недостаточны для появления таких короткопериодных внутренних волн. Дело в том, что пространственное разрешение «Истока» в поле электропроводности по вертикали не менее 1 м. Поэтому он не мог дать вполне точную информацию о слое, где производились измерения внутренних волн, из‑за неизбежного усреднения.

Это обстоятельство связано с особенностями конструкции преобразователя электропроводности зонда "Исток". Для решения подобной задачи нужен измеритель электропроводности морской воды с более высоким пространственным разрешением. Подобным качеством обладают преобразователи контактного типа.

На профилях плотности, приведенных в цитируемом сообщении и построенных по данным измерений с помощью «Истока», имеется инверсия. Термин этот означает, что с увеличением глубины в некоторых местах по вертикали плотность воды в море не возрастает, а уменьшается. Следовательно, здесь имеются слои воды с отрицательным градиентом плотности. Равновесие подобных слоев в морю неустойчиво. С этим явлением автор сообщения и связывает образование странных волн с периодами около 1 с и более.

Неизвестно, правда, чем объяснить появление еще более короткопериодных внутренних волн.