Про те, навіщо науковці досліджують внутрішні хвилі, українському науково-популярному ресурсові «Sciences.in.UA» розповіла вчена й популяризаторка науки, керівниця спільного семінару Ради молодих вчених Відділення інформатики НАН України й Інституту проблем математичних машин та систем НАН України «Інформаційне суспільство: досягнення та виклики» («Informational Society: Progress and Challenges»), старший науковий співробітник відділу математичного моделювання морських і річкових систем цього інституту кандидат фізико-математичних наук Катерина Терлецька.
«Мабуть, усім відомі такі екстремальні поверхневі хвилі як цунамі. У відкритому океані, де ці хвилі зароджуються, вони мають амплітуди близько 1–2 м. Потім такі хвилі розповсюджуються на тисячі кілометрів і, доходячи до узбережжя, за рахунок нелінійності їхні амплітуди на мілководді можуть сягати 30–40 м. Подекуди хвилі цунамі завдають шкоди прибережним ділянкам, приносять лихо та руйнування. Однак, напевно, не всі знають про те, що щодня в протоці між островами Лусон і Тайвань зароджується хвиля, амплітуда якої сягає 200 м (іноді – навіть 240 м), котра починає свою подорож Південнокитайським морем, але за кілька днів руйнується й гине на його шельфі, – говорить науковиця й наголошує: – Життєвий цикл таких хвиль є дуже важливим для формування клімату нашої планети».
Як пояснила Катерина Терлецька, хвилі-«хмарочоси», котрі отримали назву внутрішніх гравітаційних хвиль, зобов’язані своїм існуванням різній стратифікації водної товщі, тобто різній густині цієї рідини на поверхні й на глибині водойми. Така стратифікація може виникати за рахунок, наприклад, прогрівання поверхневого шару або наявності на поверхні шару прісної води (скажімо, в місцях танення льодовиків або в гирлах річок, що впадають у солоні моря). Побачити внутрішні хвилі неможливо, але їх можна цілеспрямовано створити, як це й зробив 250 років тому Бенджамін Франклін. Подорожуючи з Мадейри, він спостерігав внутрішні хвилі в італійській олійній лампі – вони утворювалися там на межі поділу олії та води. До речі, цей випадок вважається першим документально зафіксованим спостереженням внутрішніх хвиль. Водночас, історія знайомства людства з ними триває вже понад 2 тис. років. Іще за часів Плінія Старшого фіксувався феномен так званої «мертвої води», коли судно під час руху раптово зупинялося, наче його тримала якась невидима рука. Фізичне обґрунтування феномен «мертвої води» отримав лише 100 років тому – завдяки полярній експедиції Фрітьофа Нансена. Океанолог Вагн Вальфрід Екман ініціював проведення експериментів, у результаті яких встановив, що, крім поверхневих хвиль, генеруються також хвилі на межі солоної та прісної води. З’ясувалося, що саме на подолання цих хвиль і витрачається енергія судна, тому воно зупиняється.
«Всі історії, пов’язані з внутрішніми хвилями, мають своєрідне містичне забарвлення, – продовжує Катерина Терлецька. – Внутрішні хвилі великих амплітуд існують у вузьких протоках. Це, наприклад, хвилі у Міссініській протоці, між східним узбережжям Сицилії та південним узбережжям Калабрії, де перемішуються два потоки – потік густішої і солонішої води з Іонічного моря (в нижньому шарі) й легша вода з Тіренського моря (у верхньому шарі). Змішуючись, ці водні маси утворюють внутрішній вал, амплітуда якого може сягати 60 м, і при посиленні поверхневого потоку можна спостерігати прояви цього внутрішнього валу навіть на поверхні – у вигляді виру, про який писав іще Гомер у своїй «Одісеї», а саме – в легенді про Сціллу й Харибду».
Ще один різновид «містичних історій», появу яких спричинили спостереження проявів внутрішніх хвиль, – це досить поширені в різних країнах світу легенди про «озерних монстрів» (таких як Нессі з озера Лохнесс у Шотландії, змій Огопо з озера Оканаган у Канаді, чорт із озера Лабинкир у Якутії тощо). Як помітили вчені, міфічні «чудовиська» обирають своєю домівкою переважно озера, що розташовані в середніх широтах і мають видовжену форму, круті береги та чітко виражений теплий перемішаний поверхневий шар. Учені припускають, що поверхневі прояви на воді, котрі мали невідому природу й часто отримували лише містичне тлумачення, можна пояснити саме завдяки дослідженню внутрішніх хвиль у таких водоймах. Українські науковці вирішили перевірити цю гіпотезу та здійснили чисельне моделювання. Об’єктом їхнього дослідження стало озеро Лохнесс, наразі найкраще вивчене лімнологами (тобто озерознавцями). Крім того, вже понад 100 років відомо, що в ньому існують досить інтенсивні внутрішні хвилі. Математичне моделювання виявило, що в Лохнессі можуть існувати підводні надкритичні струмені, котрі з’являються за рахунок кумулятивного ефекту, оскільки внутрішні хвилі взаємодіють із ложкоподібним західним кінцем озера, розташованим поблизу міста Інвернесс. Ці струмені формують вихрові пари, що розповсюджуються в термокліні й, рухаючись із надкритичною швидкістю, здатні залишати поверхневі сліди, подібні до хвиль від корабля. Саме такі ефекти, вважають учені, й можуть сприйматись як об’єкти, що нібито мешкають у цьому озері.
«Тут доречно згадати приписуваний Альбертові Ейнштейну вислів, що процес наукових відкриттів – це безперервна втеча від чудес. «Убивати» «монстрів», звичайно, корисно, проте у людства є принциповіші проблеми, зокрема глобальні зміни клімату, – розповідає Катерина Терлецька. – Океан – надзвичайно важливий елемент кліматичної системи, тому що він дуже інерційний. Його теплоємність у сотні разів більша від теплоємності атмосфери. Це означає, що часові масштаби океанічних проявів і антропогенного впливу є співставними. Тому моделювання процесів, які відбуваються в океані, важливі для моделювання глобального клімату. За вертикальною стратифікацією температур океан нагадує філіжанку кави з вершками: він містить дуже тонкий (завтовшки 500–1000 м) прогрітий поверхневий шар (це ніби вершки) та кілька кілометрів холодних вод. Ці два шари майже не перемішуються. Єдиним джерелом їхнього перемішування є так зване діапікнічне перемішування, головний агент якого – внутрішні хвилі. Вони пронизують весь океан і народжуються припливними течіями завдяки взаємному тяжінню Землі та Місяця. Приплив взаємодіє з неоднорідним за вертикаллю, стратифікованим океаном і породжує довгі припливні хвилі, котрі надалі вступають у взаємодію з неоднорідностями дна – такими як, наприклад, підводні хребти. Там ці довгі хвилі починають трансформуватись і з’являються усамітнені хвилі великих амплітуд, але вже меншої довжини. Вони поширюються далі, взаємодіють із іншими хвилями, аж поки не досягають шельфових зон, де, руйнуючись, перемішують воду та транспортують холодні води на поверхню, а теплі – занурюють у глибини океану. Тобто внутрішні хвилі – своєрідна «океанічна ложка», яка перемішує вершки у каві. Тому їхнє вивчення є надзвичайно необхідним для розуміння поведінки океану, який без внутрішніх хвиль був би зовсім інакшим, його поверхневий шар – теплішим, а абісальні води – холоднішими. Однією з головних проблем океанології є саме дослідження та параметризація перемішування вод, спричиненого внутрішніми хвилями. Наразі цю проблему ще не розв’язано, а внутрішні океанічні хвилі – той елемент, якого бракує в пазлі кліматичної системи».
Відеозапис дивіться за посиланням: https://youtu.be/FKcZxQitYUQ.
З цієї ж теми читайте також статтю Катерини Терлецької на блог-платформі для топ-юзерів українського сегменту Facebook – Site.ua: https://site.ua/kateryna.terletska/13323-yak-doslidjennya-mertvoyi-vodi-dopomagae-vbivati-monstriv/.