Наука продовжує руйнувати міфи, які вперто існують в свідомості довірливих громадян. Історії про «озерних монстрів», «мертву воду», легендарних чудовиськ та про інші містичні явища поступово знаходять пояснення за допомогою наполегливої роботи вчених, які вперто намагаються знайти наукові пояснення таємницям.
Почнемо з великої загадки, що називається «мертвою водою». Згадка про це явище зустрічається у Плінія Старшого в «Природничій історії». Дві тисячі років назад він описував ситуацію, коли корабель, що рухався повільно, раптово зупинявся, наче чиясь рука тримала його знизу. Вітрильні кораблі під дією «мертвої води» збивалися з курсу й переставали слухатися керма. Пліній пояснював це присутністю у морських глибинах містичних чудовиськ або особливих типів риб, які прикріплювалися до кіля (рис.1а). Століттями «мертва вода» засмучувала досвідчених капітанів, а думка простих моряків взагалі була безапеляційною — це витівки самого диявола!
Рис. 1. Малюнок-пояснення Плінія Старшого феномену «мертвої води», (б) — умовна схема потрапляння шхуни «Фрам» в «мертву воду», (в) – профіль найбільшої зафіксованої внутрішньої хвилі [2].
Як з'ясувалось згодом, винуватцями цих «диявольських витівок» були невидимі оку моряків так звані внутрішні хвилі, які вперше 250 років тому випадково побачив в італійській олійній лампі та задокументував батько-засновник США, письменник та вчений Бенджамін Франклін під час подорожі на кораблі. Він писав [1]: «На Мадейрі ми дістали олію для освітлювання і за допомогою звичайного скляного бокала або склянки обв'язаної дротом і підвішеної до стелі каюти... я зробив італійську лампу... Склянка на дні містила воду приблизно на одну третину своєї висоти; інша третина була заповнена олією... За вечерею, дивлячись на лампу, я помітив, що поверхня олії була повністю спокійною та зберігала своє положення відносно краю склянки, вода ж під олією була у великому хвилюванні, підіймаючись та падаючи безладними хвилями„. І це була не просто «буря в склянці», а перший в історії людства лабораторний експеримент з дослідження внутрішніх хвиль.
Експеримент Франкліна продемонстрував, що окрім поверхневих хвиль на межі повітря-вода можуть існувати хвилі на межі шарів рідини із різною густиною. Така різниця в густині виникає скрізь у природних водоймах. Вона може виникнути або за рахунок різниці в солоності (наприклад, біля гирл річок, де на поверхні утворюється шар прісної води або у фіордах при таненні льодовиків), або температури (за рахунок прогріву верхнього шару). Рушійною силою для утворення великих внутрішніх хвиль в океанах є припливи, а у замкнених морях та озерах – дія вітру. Через те, що різниця в густині між двома шарами невелика (у порівнянні із різницею в густині на межі вода-повітря), амплітуди внутрішніх хвиль у рази більші за амплітуди поверхневих хвиль та можуть сягати сотень метрів. Так, наприклад, кожен день хвиля з амплітудою до двох сотень метрів формується у водах між островом Тайвань та Філіппінами і за декілька днів проходить через Південнокитайське море, а потім руйнується та гине в шельфовій зоні. На рис. 1в зображено зріз із вимірюваннями температури до глибини 1100 метрів, на якому видно профіль внутрішньої усамітненої хвилі, що має амплітуду 240 метрів [2].
Пов'язати таємницю «мертвої води„ із хвилями, що колись випадково побачив Бенджамін Франклін, вдалося Фрітьофу Нансену під час знаменитої полярної експедиції 1893-1896 рр.Він отримав перші вимірювання густини, що продемонстрували присутність внутрішніх хвиль в океані (рис. 2а), та назвав їх «загадкові хвилі„. Нансен передбачив надзвичайну важливість для океанографії внутрішніх хвиль: «Знання про природу та причини цих хвиль та їх рух буде, на наш погляд, надзвичайно важливим для океанографії, і як ми розуміємо, однією із найважливіших задач, яка вимагає негайного розв'язку...» [3]. Під час експедиції було дано фізичне пояснення ситуації, що відбувалась при потраплянні шхуни «Фрам„ в «мертву воду„ в норвезьких фіордах та біля берегів Таймиру та ініційовано постановку циклу експериментів по дослідженню внутрішніх хвиль, що поглинають енергію руху судна. Експерименти в лабораторному басейні, що був заповнений прісною водою (у верхньому шарі) та солоною водою (у нижньому шарі) виконав океанолог Вагн Вальфрід Екман на початку минулого століття. Екман писав: «Якщо шар прісної води лежить над солоною, то корабель спричиняє не тільки звичайні видимі хвилі на межі між водою та повітрям, але і буде породжувати невидимі хвилі на межі солоної та несолоної води. Я припускаю, що величезний опір, що відчуває корабель, зумовлений роботою, що витрачається на утворення цих невидимих хвиль„ [1]. Нещодавно група дослідників з університету Ліону відтворила в лабораторних умовах ефект «мертвої води„ із іграшковим корабликом (рис. 2 б). [4] Було показано, що при певних умовах корабель може утворювати довгі внутрішні хвилі, що призводять до гальмування і зупинки, навіть, якщо двигун працює.
Доречі, із «мертвою водою» стикаються іноді і плавці, які беруть участь в морських запливах. Вони іноді скаржаться, що «хтось» або «щось» тримає їх у воді.
Науковці рекомендуть:не треба «хвилюватися»! А подолати «мертву воду„ можна так — зупинитись, відпочити, а потім почати пливти повільніше або швидше.
Рис. 2. (а) — Переше в історії вимірювання внутрішніх хвиль, що зроблено під час полярної експедиції 1893-1896, (б)- відтворення в лабораторних умовах ефекту «мертвої води„ із іграшковим корабликом [4], (в) — внутрішня хвиля в Мессінській протоці [5].
А ще внутрішні хвилі «мешкають„ у вузьких протоках, де змішуються водні маси із різними характеристиками (Гібралтар, Лусон, Ломбокська протока та інші ). Наприклад, у протоці Лусон та Гібралтар вони можуть хизуватися своїми гігантськими розмірами, а от їх родичі з Мессінської протоки, що знаходиться між східним берегом Сицилії та південним берегом Калабріі навіки закарбувати себе в «Одисеї» Гомера. В Мессінській протоці змішується потік важкої солоні води Іонічного моря, у нижньому шарі із легкою поверхневою водою Тірренського моря. Коли ж завдяки припливам відбувається посилення поверхневого потоку, може утворюватися внутрішня хвиля із амплітудою до 60 м (Рис. 2в) [5] прояви якої можуть сягати поверхні і викликати поверхневе збурення, що було відоме з давніх часів в легендах про Сциллу і Харибду.
Окрім морів і океанів внутрішні хвилі мають за «домівки» озера, де влітку є прогрітий поверхневий шар, який приводиться у коливальний рух дією вітру. Саме тут внутрішні хвилі створили про себе наймістичніші історії, які так подобаються людям. Нам всім відома прекрасна Нессі, що мешкає в озері Лохнесс. Вона має багато менш відомих колег — «озерних монстрів» з вузьких озер в середніх широтах, що мають круті схили (рис. 3). Найбільш відомі з них чорт з озера Лабинкир (Росія), змії Огопо з озера Оканоган (Канада) , монстр Сельма з озера Сельйорд (Норвегія), монстр Лорі з озера Лох'Рі (Ірландія), монстр з озера Лоен (Норвегія) , монстр Лунги з озера Траунзе (Австрія) та інші.
Зазвичай, свідки «озерних монстрів» (ну, звичайно ж тільки тих монстрів, що плавають в озері, а не гуляють поблизу пабів) свідчать, що монстри в озері швидко рухаються, потім зникають та лишають поверхневий слід.
Рис.3 (а) — Домівки «озерних монстрів» по всьому світу (позначені білими кружками). (б) – озеро Лохнесс (Шотландія), (в) — озеро Лабинкир (Росія), (г) — озеро Оканаган (Канада), (д) — озеро Лоен (Норвегія), (е) – озеро Канас (Китай).
Через те, що внутрішні хвилі мають прояви на поверхні, у науковців вже давно були підозри [6], що саме внутрішні хвилі і можуть пояснити факти спостережень раптового хвилювання поверхні озера, які приписують «озерним монстрам„.
Рис. 4. (а) – Карта глибин озера Лохнесс (б) – спостереження внутрішнього бору з [11], (в) – чисельне моделювання вільної поверхні
Для того, щоб зрозуміти яким же чином і за рахунок чого відбувається це раптове хвилювання“ поверхні озера, вченими було проведене чисельне моделювання внутрішніх хвиль в озері Лохнесс [7-9,12]. Озеро Лохнесс (рис. 4а) є дуже привабливим для досліджень внутрішніх хвиль, і тому саме тут вони були зафіксовані вперше в історії, більше аніж 100 років тому [10]. Пізніше в озері був зафіксований внутрішній бор (схожий на поверхневий бор, що виникає в гирлах річок, наприклад в Амазонці) (рис. 4 б, [11]), що формується після дії інтенсивних вітрів, а потім подорожує озером із швидкістю 35 см/с, відбивається від країв озера та поступово затухає. Результатом проведеного моделювання було виявлення цікавого феномену: можливості існування в озері Лохнесс внутрішніх підводних струменів, які виникають внаслідок кумулятивного ефекту, що пов'язаний із накатом внутрішніх хвиль на східний край озера. Кумулятивний струмінь формує слід на поверхні озера (рис. 4 в) [6]. Саме поява цього сліду на поверхні озера і може бути джерелом містичних історій та казкового прибутку у десятки мільйонів фунтів стерлінгів у рік.
Тут доречно згадати фразу, що приписують Альберту Айнштайну „Процес наукових відкриттів — це, по суті, безперервна втеча від чудес“. Вбивати монстрів, це, звичайно, справа корисна. Але цим необхідність вивчення внутрішніх хвиль не обмежується.
Одна з найгостріших екологічних проблем, які стоять перед людством сьогодні - зміна клімату. ЇЇ наслідки – збільшення глобальної температури, зменшення площі льодовиків, підвищення рівня моря, збільшення частоти проявів екстремальних природних явищ таких як сильні шторми, торнадо та рясні повені. Ключова роль океану в змінах клімату визначається його сильною інерційністю; в силу величезної теплоємності океан є одним з найбільш повільних компонентів кліматичної системи. Масштаби мінливості океану – роки, десятки і сотні років значно перевершують характерні масштаби змін в атмосфері. Іншими словами, океан може впливати на клімат в тому діапазоні масштабів, де відбувається антропогенний вплив на клімат.Якщо ми подивимось на вертикальний перетин температури в океані (рис.5 а), то побачимо, що океан схожий на шарувату філіжанку кави з вершками (рис.5б).
Рис.5. Поле температури у вертикальному перетині у меридіональному напрямку вздовж Атлантичного океану (а) та філіжанка кави з вершками (б).
Результати спостережень показують, що верхній та нижній шари в океані перемішуються дуже слабо, та не відбувається переносу тепла та імпульсу по всій глибині океану. І одним з головних процесів, що перемішує шари в океані, є саме внутрішні хвилі. Згадаємо про велику хвилю, що зароджується та помирає у Південнокитайському морі. Як і багато інших внутрішніх хвиль вона народжується завдяки дії припливних течій, що виникають при взаємодії Землі в основному із Місяцем. Довга припливна хвиля виникає у шаруватому, як філіжанка кави, океані, рухається та трансформується при взаємодії із неоднорідностями дна, де вона частково руйнується, втрачає частину енергії та перетворюється на низку внутрішніх хвиль із меншими довжинами хвиль, але із великими амплітудами. Ці хвилі рухаються зі швидкостями декілька метрів на секунду та проходять тисячі кілометрів практично не змінюючи своєї форми, аж поки не руйнуються у шельфових зонах, спричиняючи перемішування. Таким чином, енергія припливів перетворюється на енергію внутрішніх хвиль. Енергія припливів передається по каскаду від великих масштабів та, за посередництвом внутрішніх хвиль, переноситься до найменших масштабів і є головним чинником перемішування в океані. Без внутрішніх хвиль океан був би зовсім іншим: поверхневий шар більш теплим, а глибинні води холоднішими. Дія внутрішніх хвиль схожа на перемішування вершків у каві, вони наче уявна „океанічна ложка«.
Саме опис та включення процесів перемішування від внутрішніх хвиль у глобальні кліматичні моделі є задачею-викликом сьогодення. Та, незважаючи на великі ресурси, що виділяються зараз на розв'язання цієї проблеми, вона залишається і досі актуальною, і такий елемент як „внутрішні хвилі« ще і досі відсутній в пазлі моделювання глобального клімату.
В процесі дослідження внутрішніх хвиль вчені вже викрили багато таємниць, але у той же час ці „загадкові хвилі“ все ще продовжують ставити людству нові цікаві задачі, які ми ще маємо вирішити.
Література:
Гилл А. Динамика атмосферы и океана: В 2-х томах. Т. 2. Пер. с англ.— М.: Мир, 1986.— 415
2.
Xiaodong et al An extreme internal solitary wave event observed in the northern South China Sea Scientific Reports 2016, Article number: 30041
3.
- B. Helland-Hansen and F. Nansen. The Norwegian Sea its Physical Oceanography based upon the Norwegian researches 1900-1904.
- Vasseur, Romain et al. 'Dead Waters: Large amplitude interfacial waves generated by a boat in a stratified fluid.' (2008).
Alpers W., Brandt P., Rubino A. (2008) Internal Waves Generated in the Straits of Gibraltar and Messina: Observations from Space. In: Barale V., Gade M. (eds) Remote Sensing of the European Seas. Springer, Dordrecht doi:10.1007/978-1-4020-6772-3_24
6.
- Mortimer C.H. The Loch Ness Monster „limnology or paralimnology? // Limnology and Oceanogr. 1973. — 18. — P. 343 345.
Терлецкая Е., Мадерич В., Бровченко И. Сильно-нелинейные внутренние сейши в удлиненных стратифицированных озерах и феномен «озерных монстров»/ /Прикладна гідромеханіка. — 2011. — Т. 13, № 1. — С. 51-55.
8.
Terletska K.V., Maderich V. S., Brovchenko I.O., Jung K.T. (2012) Internal seiches of large amplitude in the elongated lakes and phenomenon of "Loch Ness monster". Proceedings of the 23rd International Congress of Theoretical and Applied Mechanics (ICTAM), August 19 — 24 , 2012, Beijing, China, FM16-010, 2 pp.
9.
- Maderich V., Brovchenko I., Terletska K., Hutter K. (2012) Numerical simulations of the nonhydrostatic transformation of basin-scale internal gravity waves and wave-enhanced meromixis in lakes. Ch. 4 in Hutter K. (Ed.) Nonlinear internal waves in lakes. Springer. Series: Advances in Geophysical and Environmental Mechanics, p. 192-276.
- Watson, E. R. (1904), "Movements of the waters of Loch Ness, as indicated by temperature observations.", The Geographical Journal, Volume 24, 1904, pages 430-437.
- Thorpe, S. (1974). Near-resonant forcing in a shallow two-layer fluid: A model for the internal surge in Loch New? Journal of Fluid Mechanics, 63(3), 509-527. doi:10.1017/S0022112074001753
- Kanarska Y., Maderich V.A non'hydrostatic numerical model for calculating of free surface stratified flow // Ocean Dynamics. 2003. —№ 51. — p. 176"185.