5 фактов о перемешивании океана, измерении волн и приливных силах

5 фактов о перемешивании океана, измерении волн и приливных силах

Внутренние волны — это такое явление в океане, которое вызывается стратификацией воды по плотности: наверху менее плотная, внизу плотная. Если на такую систему оказывается какое-то воздействие, то, подобно раскачивающемуся маятнику, частица, смещенная с линии своего плотностного равновесия, стремится туда вернуться. Но поскольку она не может это сделать, то проскакивает его, поднимается выше, возвращается обратно, после чего находит свое равновесие. Кто так может воздействовать на воду в океане, чтобы вывести ее из равновесия? Например, поверхностные волны, образуемые ветром, приход циклона.

1. «Мертвая вода»

Внутренние волны еще называют внутренними инерционно-гравитационными волнами в океане. Еще Плиний Старший в своей шестнадцатитомной «Естественной истории» описывал в Красном море страннейшее явление: бывало, что во время плавания гребное судно в какой-то момент останавливалось на месте. Все думали, что какой-нибудь гигантский осьминог прихватил корабль. С этим же явлением сталкивались и викинги. Это явление получило название «мертвая вода». Единственный способ преодолеть его — бросить грести, передохнуть, а потом начать грести медленнее или быстрее.

Что это за явление «мертвая вода», которое было известно аж с Плиния Старшего? В такие моменты верхний слой океана, сравнимый по глубине с осадкой лодки, — слой легкий. У викингов, например, с ледников легкая пресная вода стекала в соленый фиорд и могла образовывать эту прослойку. В Красном море верхний слой прогревался и тоже мог становиться легким, а внизу холодным. И если глубина этого легкого слоя сравнима с глубиной лодки, лодка во время гребли возбуждает те самые внутренние волны.

Как и у всякой волны, у внутренних волн есть круговые и не совсем круговые движения. Каждая волна при другом взгляде на нее — это течение внутри океана, морская гидродинамическая волна. И скорость этого течения сравнима с тем, как гребут люди. Они гребут в эту сторону, а возбужденная волна, которую они же возбудили, останавливает их и заставляет стоять на месте.

2. Универсальность свойств внутренних волн

В океане под водой волны существуют все равно, даже при штиле. Они настолько универсальны, что, померив вертикальное распределение плотности и посмотрев по GPS или по Солнцу, на какой мы расположены широте, мы можем нарисовать так называемый универсальный спектр внутренних волн.

Такое явление происходит, поскольку множество источников внутренних волн в океане никогда не успокаиваются. Эти волны распространяются далеко по океанам внутри их толщи. И в целом свойства этих волн вдали от источников универсальны. Они определяются только местным, слегка модифицированным вертикальным распределением плотности, иначе называемым частотой плавучести, или частотой Вяйсяля — Брента.

Другой параметр, который почти полностью определяется широтой места, носит название инерционной частоты. Частоты внутренних волн располагаются между частотой плавучести и инерционной. Можно сказать, что эти волны «живут» внутри этого диапазона.

3. Баротропные приливы

Поскольку эти внутренние волны находятся везде в океане, они, как и другие волны, в силу ряда причин разрушаются. Таким образом, внутренние волны передают энергию в другие масштабы в океане вплоть до турбулентности. Эти волны обеспечивают существенный вклад в перемешивание океана.

Основной источник генерации внутренних волн — это приливы. Причем приливы являются в целом доминирующим процессом, влияющим на почти все процессы в океане.

Взаимодействие планеты Земля в основном с Луной, отчасти Солнцем и совсем в легкой степени с другими планетами возбуждает так называемые баротропные приливы, то есть такие приливы, которым все равно, какова плотностная стратификация океана. Потом, при взаимодействии с рельефом дна, баротропные приливные волны превращаются во внутренние. Затем энергия переходит по каскаду масштабов, от больших к меньшим.

4. Районы с большой вероятностью внутренних волн

Районы океана, где бывают сильные приливы, имеют высокий спектр внутренних волн по сравнению с универсальным, средним для океанов, так называемым спектром Гаррета — Манка. То есть отличия от универсального спектра показывают, что в этих районах есть какой-то источник или сток энергии.

И в этом смысле, например, Арктика или Антарктика, то есть любые районы океана выше 75 градуса северной или южной широты, представляют собой абсолютно уникальное место в Мировом океане. В этих районах баротропный прилив возбуждается, но не переходит во внутренний, поскольку внутренние инерционно-гравитационные волны имеют ограничение — инерционную частоту. В районах с градусом выше 75 градуса широты повсеместный обычный прилив не может перейти во внутренний прилив никаким гидродинамическим способом. Именно поэтому в Арктике спокойные внутренние волны, потому что прилив — основной генератор этих волн — здесь не работает. Он образует кое-какие волны, но не те, которые распространяются от места возникновения. И отчасти поэтому там происходит не такое интенсивное перемешивание.

В высокоширотных районах внутри все спокойно. Это такое в некотором смысле болотистое место, в том числе потому, что здесь нет этого перехода от баротропного прилива, который не знает, как устроен океан по плотности, к тому приливу, который образуется от баротропного (так называемый бароклинный) и который является существенной частью внутренних волн.

5. Значение волн в океане

Как измеряются волны в океане? Главное — измерять какую-то характеристику, которая, пока волна проходит, по тем или иным причинам сама не изменяется.

Это может быть как просто температура в зоне сильного градиента, так и, например, мигрирующий пассивный планктон. Только мы должны знать, что он пассивный, что он не загребает быстрее волны. То есть важно найти что-нибудь, что не меняется за время прохода волны.

Помимо того, что внутренние волны при стечении маловероятных обстоятельств становятся причиной гибели подводных кораблей, они влияют на вполне практические, обыденные вещи, например на свойства подводной связи и распространение акустических волн. В каких-то исключительных случаях течения, вызываемые внутренними волнами, становятся важными и для газопроводов, лежащих на дне.

Основная же роль внутренних инерционно-гравитационных волн заключается в том, что они передают энергию в океане по каскаду масштабов, являются мощной частью энергообмена в океане.

postnauka.org, Писарев Сергей