Мертва і жива вода

Внутрішні хвилі. Ось який дивовижний випадок стався одного разу з Ф. Нансеном на «Фрам».

При підході до кромки льоду раптом різко сповільнилося хід судна. Машина працювала на повних обертах, а «Фрам» ледве рухався. Наче його хтось утримував. Невелика відстань до кромки льоду судно йшло довше, ніж шлюпка під веслами ... А навколо була глибока чиста вода, не рахуючи окремих невеликих крижин на поверхні. Ніяких видимих перешкод для руху. У чому ж справа?

Подія це сталося під час експедиції Ф. Нансена в високі широти Арктики. У цій експедиції було зроблено багато відкриттів: спростована думка про мілководності Північного Льодовитого океану, досліджено структуру і походження його водних мас, відкрито вплив обертання Землі на рух льодів і ін. У тому числі виявлено явище мертвої води. Явище це вперше вивчалося братами холі ще в 1830 р Теоретично воно було обґрунтовано норвезьким вченим Б. Екманом незадовго до експедиції Ф. Нансена. Але до випадку з «Фрамом» ніхто не думав, що мертва вода може мати таку силу.

Втім, несподівані гальмування руху суден у відкритому морі були відомі і раніше. Вітрильні суду під дією мертвої води збивалися з курсу і переставали слухатися керма. Мореплавці звинувачували в цьому рибу-прилипали, нібито присмокталася до днища судна і здатну гальмувати його хід.

Ефект мертвої води пояснюється витратою енергії машини судна на освіту і подолання внутрішніх хвиль. Вони виникають на кордоні розділу двох шарів води з різною щільністю, так само як звичайні поверхневі хвилі, які утворюються на межі поділу вода - повітря. Їх добре видно завдяки відображенню світла від поверхні хвиль. Ми любимо спостерігати за їх бігом, стежачи за появою «дев`ятого» вала. До речі, фізики досі сперечаються, чи він існує.

З наглядом за внутрішніми хвилями все набагато складніше. Вони невидимі.

У 7 год 30 хв 10 квітня 1963 р американський атомний підводний човен «Трешер» почала глибоководне занурення в Атлантичному океані в 220 милях від Бостона. На її борту крім штатного екіпажу перебували 17 цивільних фахівців - представників промислових фірм і заводу-будівельника. Мета занурення - проведення випробувань човна на граничній глибині - до 360 м.

Відео: вода жива і мертва

Командир човна був зобов`язаний по гідроакустичного каналу виходити на зв`язок з забезпечує судном «Скайларк» кожні 15 хв. О 9 год 17 хв «Скайларк» прийняв останні повідомлення, з якого вдалося розібрати тільки два слова: «... гранична глибина ...» Після чого на судні почули шум, оцінений як руйнування міцного корпусу човна. «Трешер» затонула на глибині 2800 м.

Вчені припускають, що причиною загибелі підводного човна стали внутрішні хвилі. В той день в районі випробувань лютував циклон. Він міг викликати внутрішні хвилі. Відомо, що метеорологічні явища викликають генерацію внутрішніх хвиль. Пізніше в цьому районі були зареєстровані потужні внутрішні хвилі висотою до 100 м і періодом коливань близько 8 хв. Такі хвилі легко могли «затягнути» човен на глибину нижче граничної, на яку був розрахований її міцний корпус.

У 1969 р під час підводного плавання на мезоскафе «Бен Франклін» у Гольфстриме керівник експедиції Жак Пікар зазначив, що внутрішні хвилі періодично піднімали «Бен Франклін» вгору на 30 м і тут же без будь-якого втручання з боку екіпажу опускали мезоскаф за кілька хвилин на 50 м вниз.

Перевищення максимальної глибини занурення «Трешера» на 50 м, т. Е. На глибину 410 м, при досить напружених нормах розрахунку на міцність, прийнятих в США, природно, призвело до катастрофи. Попросту кажучи, не вистачило запасу міцності.

Вчені відзначають ще одну можливу причину: циклон викликав сильне вихровий рух вод океану в районі занурення, що сприяло інтенсивного перемішування верхнього шару океану. В результаті тепла вода (легша) з верхнього шару могла бути затягнута вниз. Якщо «Трешер» несподівано потрапив в шар теплої води поблизу граничної глибини, то він міг просто провалитися нижче максимально допустимої позначки. Екіпаж не встиг продути баластні цистерни.

Відомі й інші фізичні процеси, які загрожують цілості підводних кораблів. Приблизно в той же час загинула французька підводний човен. У північно-західній частині Середземного моря вона, мабуть, потрапила в особливий ділянку моря, де був «колодязь». Так тепер іноді називають велика пляма на поверхні моря з холодною водою. Температура води на поверхні «колодязя» близька до температури води у дна. Може бути, навіть трохи нижче, а солоність вище через посиленого випаровування води з поверхні моря під впливом ураганного вітру. В результаті порушується стійкість: щільність води біля поверхні «колодязя» стає більша за густину нижчих шарів.

Поверхнева вода починає опускатися вниз, на дно. Утворюється конвективная осередок, звана глибокої конвекцією. Іноді утворюється гігантський підводний водоспад. Підводному судну, що потрапив в такий потік, загрожує загибель - його неминуче понесе в глибину, де корпус його буде розчавлений підвищеним гідростатичним тиском. Це явище дуже мало вивчено. Необхідно з`ясувати умови, що викликають його освіту. Адже відомо, наприклад, що снігові лавини зриваються іноді з гір через найслабшого звуку. Чи може вхід підводного човна в зону проникаючої конвекції викликати обвалення? Це одна із загадок світового океану.

Давно пішли в минуле часи, коли капітан Немо занурювався на своєму «Наутілус» в тихі глибини океану від всіх земних прикростей. Світовий океан виявився куди складніше, ніж він представлявся раніше. Для безаварійного плавання в його глибинах потрібно не тільки постійна пильність, а й нові прилади, які попереджали б штурманів про різні сюрпризи. Але повернемося до внутрішніх хвилях.

У звичайних умовах ми не можемо їх бачити. Але в шкільному кабінеті фізики або навіть вдома можна поставити досвід з підфарбованою водою, що дозволить спостерігати внутрішні хвилі. Для цього треба мати скляну (або пластикову) трубку діаметром 4-5 см, довжиною близько 1 м. Один кінець трубки повинен бути запаяний або заклеєний. Втім, його можна щільно закрити пробкою. Треба ще мати і другу пробку для закривання іншого кінця трубки в ході досвіду.

Поставте трубку похило на стіл (закритим кінцем вниз) і налийте в неї дуже солоної води приблизно на 1 /₃ висоти. Її треба приготувати заздалегідь, розчинивши 200-250 г куховарської солі в 1 л води.

Відео: Рецепти лікування живою і мертвою водою захворювань внутрішніх органів

А тепер долийте в трубку прісної води, підфарбованою який-небудь фарбою, приблизно до ²/ З її висоти. Доливати воду треба так обережно, щоб струмені підфарбованою води не проникали в стовп солоної води (воду треба лити дуже повільно, може бути, навіть трохи збільшити нахил трубки). Коли вся підфарбована вода буде вилита в трубку, закрийте пробкою її верхній кінець і повільно переведіть трубку в вертикальне положення. А потім швидко нахиліть її до горизонтального положення. Під час нахилу трубки ви побачите, як побіжать внутрішні хвилі між шарами двох переливаються рідин.

Це - гарний досвід. Хвилі можна навіть встигнути сфотографувати. Подібна фотографія приведена на малюнку. Замість солоної води можна взяти будь-яке рідке масло, наприклад трансформаторне або силіконове. Для успіху досвіду не так важливий хімічний склад рідин, як різниця їх щільності. При використанні масла в якості однієї з рідин, другу підфарбовувати не потрібно.

Подібним способом в лабораторії можна моделювати явище освіти внутрішніх хвиль, що має в наш час велике значення. Досвід дозволить легше зрозуміти механізм несподіваного гальмування «Фрама». В тій ділянці Арктичного басейну, де це сталося, в поверхневому шарі океану зібралася прісна вода від розтанули льодів. Вона легше солоної, тому і залишилася зверху. Утворилася шарувата структура на кшталт листкового пирога.

Фотографія внутрішніх хвиль, які утворилися в скляній трубці.

Наявність шаруватої структури - обов`язкова умова для генерації внутрішніх хвиль. Океанологи в таких випадках говорять про стійку стратифікації океану. Без неї внутрішні хвилі неможливі. Стійка стратифікація означає, що шари води знаходяться в механічному рівновазі.

Рух судна дало механічний імпульс, який змусив захитатися хитку межу між двома шарами води. На ній утворилися хвилі, схожі на ті, що ми спостерігаємо на поверхні, коли кидаємо у воду камінчик. Від місця падіння каменя по поверхні води розбігаються кільцеві хвилі. Те ж відбулося і в даному випадку, тільки хвилі пішли не на поверхні, а в глибині, на підводному прикордонної площині між двома шарами. «Фрам» виконав роль камінчика, точніше - його носова хвиля. Вона вивела частки води з рівноваги.

Амплітуда виникли внутрішніх хвиль зазвичай набагато більше поверхневих. Це відбувається завдяки меншій різниці в щільності між солоною і прісною водою в порівнянні з різницею в щільності між будь-якою водою і повітрям. Сила тяжіння для частинок води у внутрішніх хвилях грає роль відновлювальної сили: вона спрямована вниз - коли частинки знаходяться вище положення рівноваги, вгору - коли вони внаслідок інерції опустилися нижче положення своєї рівноваги (до обурення).

Гребінь внутрішньої хвилі виявився досить високим і досяг кіля «Фрама». Щоб рухатися вперед, судну довелося як би штовхати внутрішню хвилю перед собою. Гідродинаміки в такому випадку говорять про подолання хвильового опору. А на це потрібно багато енергії. Потужності машини «Фрама» не вистачило, щоб «відірватися» від хвилі. В результаті швидкість судна різко впала. Падіння швидкості особливо велике, якщо швидкість руху судна збігається зі швидкістю поширення внутрішньої хвилі.

Дослідження останніх років показали, що внутрішні хвилі в Світовому океані зустрічаються настільки ж часто, як і поверхневі хвилі. Механізми генерації внутрішніх хвиль досить різноманітні: коливання атмосферного тиску, швидкості вітру, обтікання нерівностей дна, підводні землетрусу, Приливоутворюючої сили та інші фактори. У Гібралтарській протоці виявлені внутрішні хвилі висотою близько 200 м!

Розширилися наші знання і про можливості внутрішніх хвиль, про різні явища, які вони можуть викликати. Встановлено, наприклад, що внутрішні хвилі можуть не тільки гальмувати рух надводних суден, але іноді і розгойдувати їх. Внутрішні хвилі турбулізіруєт товщу океану, що ускладнює зв`язок по акустичному каналу. Вони можуть розмивати підводні схили, викликати зсуви, взмучивать воду, викликати течії на поверхні і виконувати інші ефекти. Словом, з ними треба рахуватися.

Вивчення внутрішніх хвиль. Як визначити, чи є внутрішні хвилі в океані чи ні? Точно відповісти на це питання не так-то просто. Про внутрішні хвилях відомо ще дуже мало, і будь-яка отримується з космосу інформація про них має виняткову цінність. Чим більше у нас буде фактичних даних, тим простіше визначити закономірності появи динамічних ефектів в акваторіях і їх наслідки. За допомогою орбітальних апаратів вдається в короткі терміни оглянути всю земну кулю.

Супутник передає не тільки фотографії, але і відомості про температуру окремих ділянок океану, напрямку і швидкості вітру у води і іншу інформацію.

Істотну роль грає візуальний контроль з судів і літаків. Внутрішні хвилі утворюють на поверхні океану сліки. Так називаються випрасувані області поверхні, що відрізняються за оптичними властивостями від навколишнього води. Йдеться про смугах і плямах на поверхні морів і океанів, що різко відрізняються за своїм виглядом від сусідніх ділянок. Причому справа не тільки в зміні оптичних властивостей, але також і в зміні механічних характеристик поверхні. Сліковие плями і смуги випрасувані, т. Е. На них приглушено хвилювання. Тому вони добре виділяються на тлі навколишнього їх схвильованої поверхні води. Факт зв`язку появи сликов з внутрішніми хвилями в основному встановлений. Однак сліки можуть утворюватися і під впливом інших факторів. Поява сликов може викликати плівка нафти чи інших поверхнево-активних речовин. Сліки виходять при утворенні вирів і циркуляцій Ленгмюра (особливого виду поверхневих хвиль).

Ще один спосіб контролю - спостереження за розподілом піни і водоростей на поверхні води. Вони можуть збиратися на лініях конвергенції. Дія поверхнево-активних речовин викликає гасіння коротких поверхневих хвиль і освіту сликов, що і ускладнює контроль.

Більш надійний інструментальний спосіб контролю. Є вимірювальні прилади, що дозволяють досить точно судити про присутність внутрішніх хвиль в океані і визначати їх характеристики. Один з найпростіших і надійних - антена К. Д. Сабініна. Основна частина приладу - антена, довгий шматок ізольованого кабелю з вантажем на нижньому кінці. Верхній кінець кабелю кріпиться до буйка, плаваючого на поверхні, і з`єднується з судном. Можна спускати антени не з буя, а прямо з борту науково-дослідного судна, подібні вимірювання виробляти і на ходу судна. У цьому випадку замість найпростіших антен необхідно використовувати більш складні вимірювальні системи, звані термокосамі (кілька десятків перетворювачів, т. Е. Датчиків температури, укріплених на загальному кабелі через рівні відстані по вертикалі). Таким чином, при реєстрації на ходу дещо ускладнюється обробка отриманих результатів. На судні знаходиться обробна (ЕОМ) і реєструє апаратура.

Інформація про внутрішні хвилях виходить шляхом реєстрації коливань електричного опору. При проходженні внутрішніх хвиль електричний опір антени або датчиків періодично змінюється завдяки коливанням температури. Під впливом внутрішніх хвиль ізотерми разом з масами води океану роблять коливання у вертикальній площині. Холодні і теплі шари океану періодично піднімаються вгору або опускаються вниз від свого звичайного положення рівноваги з частотою внутрішніх хвиль. Звичайно, довжина кабелю-антени або термокоси по вертикалі повинна бути не менше висоти внутрішніх хвиль в шарі, де вони реєструються, та ще необхідна «отруїла», щоб досягти цього шару.

Відомі й інші прилади для вимірювання параметрів внутрішніх хвиль. Доставити прилади в район вимірювань не завжди просто, але завжди дорого. Адже для цього треба послати науково-дослідне судно. І не завжди це можна зробити швидко. Найсучасніший і найбільш оперативний спосіб отримання інформації про внутрішні хвилях - дослідження поверхні океану з космосу.

Спостереження за внутрішніми хвилями з космосу дає можливість швидко отримати інформацію про підводні штормах в різних районах Світового океану. Це дуже важливо. Розвиток підводного судноплавства вимагає знання підводного погоди в океані. Запропоновано, наприклад, підводні танкери (значно економічніше звичайних) для перевезення великих кількостей нафтопродуктів. Високі внутрішні хвилі можуть пошкодити їх. При видобутку підводних руд також, мабуть, доведеться рахуватися з можливим впливом потужних внутрішніх хвиль. детальне вивчення природи внутрішніх хвиль вимагає застосування одночасно з космічними методами і корабельних засобів.

Про частоту внутрішніх хвиль. Одна з особливостей внутрішніх хвиль - низька частота коливань. Зазвичай вона становить малі частки герца. Тому зручніше говорити не про частоту їх коливань, а про тривалість періоду. Залежно від умов він найчастіше змінюється в межах від декількох хвилин до багатьох годин. Наприклад, період коливань найбільших внутрішніх хвиль в Гібралтарській протоці - більш ніж півдоби.

Частота внутрішніх хвиль в основному залежить від градієнта щільності. Він може змінюватися в широких межах. Пропорційно квадратному кореню з його значення змінюється і частота утворюються внутрішніх хвиль. Наприклад, для внутрішніх хвиль з періодом 8 хв (т. Е. 480 с), що спостерігалися в районі загибелі «Трешера», частота дорівнює близько 0,002 Гц при градієнті щільності, приблизно рівному 6,4·10^-4 г / см⁴.

Давно відомі були і більш короткі внутрішні хвилі з періодом 5 і навіть 2 хв. А порівняно недавно було опубліковано повідомлення про виявлення внутрішніх хвиль з періодами близько 1 с і навіть коротше - десяті частки секунди. Такі хвилі спочатку були зареєстровані, як повідомляється, на морських експериментальних станціях Тихоокеанського океанологічного інституту Далекосхідного наукового центру Академії наук СРСР в бухті Витязь і на острові Попова в Японському морі. Вони були виявлені влітку 1982 р Середземному морі під час першого рейсу науково-дослідного судна «Академік А. Несмеянов».

14 червня 1982 року на одній зі станцій в Середземному морі на глибинах від 15 до 25 м при штильової погоді було отримано багато записів внутрішніх хвиль з періодами від 56 до 0,5 с. А на межі дозволу застосовувалася приймальної апаратури були навіть відзначені хвилі з періодом всього 0,3 с. Найбільш чіткими і часто повторюваними виявилися записи внутрішніх хвиль з періодом 2 с. Вони йшли окремими цугамі ( «пакетами»). Поширення окремими «пакетами» різної тривалості - одна з особливостей, характерна і для раніше відомих більш низькочастотних внутрішніх хвиль. Вони рідко ходять більш-менш безперервними порядками, як поверхневі хвилі. З цього боку нічого особливого немає. Тут дивно інше. Щоб частота внутрішніх хвиль мала порядок 1 Гц, відповідно до формули Вяйсяля-Брента, градієнт щільності в шарі їх поширення має бути більше взятого в попередньому прикладі в 230 тис. Разів. Отже, він повинен бути 147 г / см⁴, що практично неможливо.

Одночасно з реєстрацією незвичайних внутрішніх хвиль проводилися багаторазові дослідження товщі моря за допомогою вимірювального комплексу «Исток». Це один з кращих вітчизняних приладів такого типу. «Исток» дозволяє одержувати профілі розподілу по вертикалі температури і електропровідності, а по ним обчислювати розподіл солоності і щільності. Але прямого розподілу щільності він не дає.

Вимірювання показали, що спостерігаються градієнти щільності явно недостатні для появи таких короткоперіодних внутрішніх хвиль. Справа в тому, що просторове дозвіл «Витоку» в поле електропровідності по вертикалі не менше 1 м. Тому він не міг дати цілком точну інформацію про шарі, де проводилися вимірювання внутрішніх хвиль, через неминуче усереднення.

Ця обставина пов`язана з особливостями конструкції перетворювача електропровідності зонда «Исток». Для вирішення такого завдання потрібен вимірювач електропровідності морської води з більш високим просторовим дозволом. Подібним якістю володіють перетворювачі контактного типу.

На профілях щільності, наведених в цитованому повідомленні і збудованих за даними вимірів за допомогою «Витоку», є інверсія. Термін цей означає, що зі збільшенням глибини в деяких місцях по вертикалі щільність води в морі не зростає, а зменшується. Отже, тут є шари води з негативним градієнтом щільності. Рівновага подібних шарів в море нестійке. З цим явищем автор повідомлення і пов`язує освіту дивних хвиль з періодами близько 1 с і більше.