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!