Внутренние волны океана
Оказывается, в глубинах Мирового океана могут, также как и в атмосфере, разыгрываться сильные штормы, которые являются возможной причиной время от времени разыгрывающихся под водой катастроф подводных лодок. Многие специалисты считают, что в гибели лодок виноваты так называемые внутренние волны океана, которые возникают, распространяются и затухают в глубинах Мирового океана, ничем не выдавая своего существования на поверхности. Именно эти внутренние волны океана могут увлечь подводную лодку на большую глубину, где она будет раздавлена толщей воды.
Что же представляют собой эти внутренние волны и как они движутся? Что же является непосредственной причиной их возникновения?
В представлении человека волны связаны только с ветром и водной поверхностью. Обычно поверхностные волны имеют высоту (расстояние от вершины до подошвы) до 18 м и длину (расстояние между двумя следующими друг за другом вершинами или подошвами) до 300 м. Для специалистов внутренние волны океана остаются до конца не разгаданными и их характеристики до сих пор точно не измерены. Некоторые ученые считают, что такие волны могут иметь высоту от нескольких десятков до нескольких сотен метров. Длина внутренних волн равна многим милям, а их период (время между прохождением через какую-то точку двух следующих друг за другом вершин или подошв) колеблется от нескольких минут до нескольких часов.
Но как же возникают внутренние волны океана? Ученые считают, что главная причина их возникновения заключается в неоднородности водной среды. Многочисленные глубоководные океанографические исследования показали, что океан является не однородной массой воды, а состоит из определенных слоев, располагающихся на определенных уровнях и отличающихся друг от друга соленостью, температурой и т. д. Таким образом, каждый слой воды имеет свою собственную плотность. Чем ниже его температура и чем выше соленость, тем больше плотность находящейся в нем воды и, следовательно, всего слоя. До какого-то момента слои находятся в равновесном состоянии. Когда равновесие нарушается, то более тяжелые слои устремляются вниз, а более легкие занимают их положение. При этом слои воды как бы скользят друг по другу не перемешиваясь, и воздействуют на соседние слои. Учитывая тот факт, что перемещающиеся водные массы обладают значительно большей энергией, чем ветер (так как плотность морской воды почти в 1000 раз больше плотности воздуха), внутренние волны океана имеют значительно большие размеры по сравнению с поверхностными.
Одним из возбудителей таких волн, как считают ученые-океанографы, является «зыбь», которая возникает в подводном течении, когда оно протекает, например, над подводными хребтами. Подобно поверхностным волнам, внутренняя «зыбь» способна распространяться на значительные расстояния. Другим возбудителем внутренних волн могут служить сильные штормы и ураганы, вызывающие перемещение больших масс воды. Сильные подводные землетрясения также могут вызывать, по мнению океанографов, внутренние волны океана.
Источник
Внутренние волны мирового океана
Мировой океан оказывает огромное и многогранное влияние на функционирование всех систем Земли. Он формирует климат планеты, является важнейшим источником поступающего в атмосферу кислорода, а также регулирует содержание в воздухе углекислоты. Глобальные геологические и геохимические процессы, протекающие в водной среде океана, а также на его дне, оказывают значительное влияние на жизнь Земли. Океан, вероятно, одна из самых сложных земных сфер. Видимо, поэтому человек и знает об океане намного меньше, чем, например, об атмосфере или литосфере.
Очередная книга серии рассказывает о самых волнующих тайнах океана.
Книга: 100 великих тайн океана
Внутренние волны
Много столетий назад норвежские мореходы обратили внимание на странное явление, когда суда, пересекая местные фьорды, вдруг застывали на месте и, точно удерживаемые незримой гигантской рукой, не могли двинуться ни вперед, ни назад. Такие случаи получили у моряков название «лежать в мертвой воде».
В 1904 году, исследуя столь загадочную особенность фьордов, норвежский путешественник Ф. Нансен и шведский физик В. Экман выяснили, что она характерна преимущественно для тех мест, где над слоем соленой воды расположен слой более легкой опресненной воды. Резкие перепады в плотности воды и создают эффект, удерживающий суда на месте.
Однако первый шаг на подступах к изучению этого явления еще в середине XVIII века сделал знаменитый английский мореплаватель Джон Франклин. Однажды, совершая очередное морское путешествие, он обратил внимание на необычное поведение масла, налитого поверх воды в стоявшем на его столе светильнике. Хотя само масло оставалось абсолютно неподвижным, на его границе с водой отчетливо прослеживалась… волна. Данный факт настолько удивил Франклина, что сразу по возвращении домой он опубликовал свое наблюдение. Собственно, именно это сообщение великого путешественника и стало, по сути, первым «лабораторным наблюдением» внутренних волн.
Более же серьезно внутренние волны стали изучать только после Второй мировой войны. И в ходе научных исследований почти сразу же удалось выяснить любопытнейшие подробности этого феномена. Например, что даже при полном штиле на глубине в 200–300 метров могут «бушевать» настоящие бури и штормы, а подводные волны – достигать весьма внушительных размеров. В частности, амплитуда их высоты может составлять иной раз 50 метров, а ширины – более 100 метров. Период же колебаний способен держаться в интервале от нескольких минут до нескольких суток.
Кстати, после более тщательного изучения подводных волн-гигантов было высказано предположение, что катастрофа американской подводной лодки «Трешер», произошедшая 10 апреля 1963 года, могла быть вызвана ее встречей именно с одной из таких внутренних волн-гигантов, которая и забросила субмарину на критическую для подводной лодки глубину…
Характерна для подобных волн и другая примечательная особенность: оказывается, они могут пронизывать всю толщу океана до самого дна!
Причина данного явления связана с особенностями океанической воды, которая, как известно, в глубинах океана разделена на слои с разной плотностью. Когда такие слои находятся в состоянии покоя, граница между ними, как и поверхность воды, ровная. Но такое случается нечасто. Обычно по каким-то причинам тяжелый слой приподнимается, выгибается дугой, а потом падает вниз. И от этих его движений во все стороны бегут внутренние волны.
Со временем ученые не только установили, что внутренние волны буквально прошивают морскую толщу насквозь, но и выяснили их роль в ряде явлений глобального характера. Например, доказали, что океан закладывает в эти волны, словно в кубышку, «остатки» неиспользованной энергии, которую в огромных объемах ежедневно закачивают в него приливообразующие силы.
Было даже высказано предположение, что между соседними слоями с разными физико-химическими характеристиками существуют четко выраженные границы, так называемые океанические фронты, которые и являются теми «окнами», где происходит обмен теплом и солями между поверхностными и глубинными зонами Мирового океана.
Природа глубинных волн очень сложна и до конца еще не изучена. Чаще всего ученые объясняют появление таких волн гидродинамическим эффектом приливно-отливных течений, которые во время своего движения наталкиваются на горные цепи океанического дна.
Например, удалось установить, что подводные волны полусуточного периода вызываются в основном приливами. Причины же, вызывающие образование всех остальных типов подводных волн, для ученых до сих пор остаются загадкой. Ясно, что определенным образом на их появление влияют ветер, течения, рельеф дна, соленость и т. д. Но вот что играет при этом главную роль, а что – второстепенную, до конца еще не выяснено.
Следует отметить, что эти невидимые, скрытые от наших глаз волны не являются чем-то необычным или уникальным. По сути, это те же волны, которые плещутся на поверхности моря, только рожденные в глубине. Они точно так же растут, а потом, как и обычные волны прибоя, обрушиваются вниз, вызывая тем самым турбулентность – вихревые потоки. Впрочем, в свою очередь и турбулентность может вызывать внутренние волны. Поэтому, скорее всего, не последнюю роль в их появлении играют также мощные циклоны, вздымающие и раскачивающие огромные массы воды.
Источник
Внутренние волны
Первое из явлений в океане, с которым сталкивается любой наблюдатель – это волны на воде.
Внутренние волны — Для возникновения внутренних волн нужен перепад плотности. В жидкости небольшой перепад плотности может возникнуть из-за изменения температуры и солёности с глубиной. Поскольку эта разница не велика, то внутренние волны имеют малую скорость распространения. С другой стороны амплитуда внутренних волн может быть велика, поскольку для их возникновения не нужно большой энергии. Самые простой и наблюдаемый пример внутренних волн — внутренние волны в воде.
Внутренние волны создают временные течения, в том числе на поверхности воды. Поэтому если поверхностные волны идут против этого течения, то они укорачиваются и поверхность воды в этом месте выглядит тёмной и шероховатой. Если же поверхностные волны идут вдоль течения, то они удлиняются и поверхность воды в этом месте выглядит гладкой. При этом уменьшения амплитуды поверхностных волн не происходит.
Существуют они с древнейших времен, описывали их следующим образом. Гребное судно шло по воде, все гребут, а судно стоит на месте и никто не мог понять что происходит. Тогда это явление получило название «мертвая вода». Единственный способ избежать этого, это надо было перестать грести, отдохнуть и начать грести быстро или же медленно.
Когда корабль двигается в противоположную сторону от внутренних вод, то он стоит на месте (как в примере выше) А если корабль не дотрагивается до внутренних волн, то он движется в своем направлении без каких либо препятствий (как в примере на изображении ниже)
И даже если в море штиль, под водой волны существуют всегда
Источник
Внутренние волны в океане
Другой важнейший тип волн, во многом определяющий нелинейную динамику верхнего слоя океана, – внутренние волны (ВВ), которые формируются в области наибольших градиентов верти-кально-неоднородного профиля плотности океанической воды – в области пикноклина. Основную роль в формировании пикноклина играет стратификация глубинного профиля температуры. Это важное обстоятельство было положено в основу создания масштабной лабораторной модели верхнего слоя океана, успешно реализованной под руководством В. И. Таланова в Большом термостратифицированном бассейне ИПФ РАН.
Наблюдения сильно нелинейных ВВ в восточной части Тихого океана
Наблюдения ВВ в океане, существующих благодаря его вертикальной плотностной стратификации, демонстрируют наличие сильно нелинейных уединенных импульсов, высота которых может достигать 50–100 м. Для их описания в ИПФ применяются различные модели: от слабонелинейных, основанных на обобщениях уравнений Кортевега – де Вриза и Гарднера, до сильно нелинейных (модели Камасса – Чоя и Островского – Гру). В рамках этих моделей изучены условия существования римановых волн, солитонов и бризеров ВВ и исследовано их взаимодействие между собой и с внешними полями. Структура солитонов определяется знаками коэффициентов квадратичной и кубической нелинейности, а бризеры возможны только при положительности коэффициента кубической нелинейности. Построены карты распределения кинематических характеристик ВВ в Мировом океане. Разработана модель трансформации ВВ в шельфовой зоне с учетом переменности гидрологии по трассе распространения, эффектов Кориолиса и диссипации, позволившая провести численное моделирование параметров ВВ на различных шельфах, в том числе в Арктическом бассейне, и выполнить сопоставление с данными наблюдений. Выяснены физические механизмы существования аномально больших короткоживущих внутренних волн (аналогов волн-убийц) – модуляционная неустойчивость, трансформация на нелинейных «каустиках», дисперсионное фокусирование – и предсказано их возможное появление в Балтийском и Южно-Китайском морях (Е. Н. Пелиновский, Т. Г. Талипова; К. А. Горшков, И. А. Соустова).
Наблюдения сильно нелинейных ВВ в восточной части Тихого океана
Среди работ ИПФ в области гидрофизики значительное место занимает изучение взаимодействия волн различных пространственных и временных масштабов. Взаимодействие поверхностных и внутренних волн – один из наиболее интересных примеров такого взаимодействия в природных условиях. Сотрудниками ИПФ было показано, что физические механизмы воздействия ВВ и создаваемых ими подповерхностных течений на ветровое волнение существенно различны в разных диапазонах ветровых волн. В диапазоне метровых и дециметровых волн определяющую роль играет механизм, связанный с непосредственным влиянием переменного подповерхностного течения, создаваемого ВВ, на кинематику поверхностных волн. Соответствующая ему модель изменения характеристик поля ветровых волн под действием ВВ, развитая под руководством В. И. Таланова, была названа кинематической моделью. Она получила многократные экспериментальные подтверждения в лабораторных и натурных условиях (В. В. Баханов) и широко известна среди специалистов. В высокочастотной части спектра волнения (сантиметровая и миллиметровая рябь) основную роль играют другие эффекты, в частности модуляция коэффициента затухания поверхностных волн вследствие перераспределения под действием ВВ пленок поверхностно-активных веществ (С. А. Ермаков). Имеются экспериментальные данные, указывающие на существенную роль каскадных механизмов воздействия ВВ на короткие (сантиметровые) ветровые волны: течение, создаваемое на поверхности ВВ, трансформирует метровые и дециметровые волны, а они воздействуют на сантиметровую рябь. Кроме того, неоднородное поле течений, созданное ВВ, вызывает изменчивость поля скорости ветра над водной поверхностью, что приводит к модуляции инкремента мелкомасштабных ветровых волн (Ю. И. Троицкая).
Формы солитонов внутренних волн в зависимости от знаков коэффициентов нелинейности 
Сравнение данных наблюдений (красная кривая) и моделирования (черная) пакета внутренних волн при его продвижении на 14 км (шельф Португалии)
Исследование взаимодействия волн с неоднородными течениями также занимает важное место в тематике гидрофизических исследований. Особый интерес представляет нелинейное взаимодействие ВВ с потоками в окрестности так называемых резонансных уровней – критических слоев, где фазовая скорость волн совпадает со скоростью потока. Такое взаимодействие может вызвать существенную перестройку течения из-за обратного воздействия волны на течение в результате резонансного обмена импульсом. В рамках развитой Ю. И. Троицкой квазилинейной модели турбулентного следа за телом, буксируемым в стратифицированной жидкости при больших числах Рейнольдса и Фруда, показано, что основным механизмом эволюции следа является развитие гидродинамической неустойчивости возбуждаемого телом струйного течения. Численные и лабораторные эксперименты подтвердили адекватность предложенной модели, и следующие из нее результаты по эволюции поля скорости в следе (средние параметры следа) определяются из модели с точностью до единиц процентов.
В последнее время исследователей заинтересовали физические явления, происходящие при истечении пресных сточных вод из коллектора подводной сбросовой системы в стратифицированный океан. Необходимость понимания и прогнозирования этих процессов обусловлена актуальными экологическими проблемами и современным развитием аэрокосмических дистанционных методов мониторинга подводных систем сброса сточных вод. Масштабное моделирование в БТСБ показало, что формирующиеся в этом процессе всплывающие струи возбуждают интенсивные короткопериодные ВВ при взаимодействии с пикноклином. На основании анализа зависимостей амплитуд генерируемых волн от характеристик струйного течения и стратификации предложен механизм генерации волн, связанный с возбуждением автоколебаний глобально неустойчивой моды при взаимодействии всплывающей струи с пикноклином (Ю. И. Троицкая, Е. В. Ежова, В. И. Казаков, Д. А. Сергеев).
Схема эксперимента в большом термостратифицированном бассейне по изучению механизма генерации внутренних волн осесимметричными турбулентными струями 
Спектры колебаний струи (пунктир) и ВВ (сплошная линия). Прямой отмечена максимальная частота плавучести, кривая соответствует частотной зависимости коэффициента возбуждения низшей моды
Чтобы придать комплексный характер исследованию явлений, порождаемых затопленными плавучими струями в стратифицированной жидкости, проведено прямое численное моделирование динамики фонтана, формирующегося при проникновении вертикальной струи сквозь пикноклин в стратифицированной жидкости (О. А. Дружинин). Расчеты показали, что при числах Фруда, превышающих критическое значение, возникают автоколебания фонтана, сопровождающиеся генерацией ВВ в пикноклине. Изучены возможные моды автоколебаний фонтана и соответствующие им структуры излучаемых ВВ. Из данных расчетов следует, что зависимость амплитуды колебаний верхушки фонтана от числа Фруда хорошо согласуется с предсказанием теоретической модели конкуренции взаимодействующих мод в режиме мягкого самовозбуждения.
Полученные в ИПФ фундаментальные результаты теоретических и экспериментальных исследований физических механизмов воздействия ВВ и неоднородных течений на ветровые волны были положены в основу разработки и практического использования радиофизических методов и средств дистанционной диагностики верхнего слоя океана.
Поля завихренности (вид сбоку, в осевой плоскости фонтана) и плотности (вид сверху, в горизонтальной плоскости на уровне пикноклина);
зависимость амплитуды осцилляций фонтана от числа Фруда (справа)
Источник