Загадки 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!