Загадки океана - Николай Вершинский

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.