Внутренние волны

Внутренние волны

Внутренние волны – колебания устойчиво стратифицированной жидкости, вертикальная амплитуда которых в водной толще гораздо больше, чем на границах жидкости (поверхности и дне) [Коняев, Сабинин, 1992]. Для описания внутренних волн используют следующие характеристики:

• высота волны – расстояние по вертикали от подошвы до вершины;
• период волны – разница во времени между двумя соседними вершинами;
• амплитуда волны – расстояния от равновесного положения до вершины или подошвы, или же высота гребня или глубина ложбины;
• длина волны – расстояние по горизонтали между двумя соседними вершинами;
• фазовая скорость – скорость распространения колебаний. это расстояние, преодолеваемое волной в единицу времени.

Классификация внутренних волн по масштабу. Плотность воды в океане редко увеличивается с глубиной равномерно. Обычно говорят о слоистой структуре распределения плотности, частный случай которой – двухслойная стратификация. На рисунке 1 представлена схематическая интерпретация двухслойной структуры и реальный профиль плотности, близкий к этой структуре. Видно, что тонкий верхний слой отделен от нижележащего слоя узким слоем скачка плотности (пикноклина), где градиент плотности повышен.

В зависимости от соотношения длины внутренних волн и толщины слоев двухслойной жидкости выделяют длинные и короткие внутренние волны (по аналогии с длинными и короткими волнами при поверхностном волнении). Длина длинных внутренних волн много больше толщины слоёв жидкости. Длина коротких внутренних волн много больше толщины верхнего слоя, и меньше толщины нижнего слоя. Примером таких волн являются короткопериодные внутренние волны – колебания с частотой много меньше инерционной частоты.

Внутренние волны характеризуются масштабом периодов от единиц до нескольких десятков минут [Коняев, Сабинин, 1992]. Они являются фактором повышенного вертикального перемешивания и вносят существенный вклад в изменчивость гидрофизических полей на масштабах от нескольких десятков метров до нескольких километров и интервалах от единиц минут до нескольких десятков минут.

Классификация внутренних волн по природе возникновения

Внутренние приливные волны – это колебания с высотой порядка десятков метров, длиной волны порядка десятков километров и фазовой скоростью около 2 м/с [Коняев, Сабинин, 1992]. Они возникают при взаимодействии баротропного приливного течения и неоднородностей рельефа дна [Morozov, 2018]. Наиболее интенсивно генерируются на материковых склонах и склонах подводных хребтов. Могут распространяться от источников генерации на большие расстояния, как в сторону шельфа, так и в сторону открытого океана. Однако севернее критической широты (для северного полушария), где разность между приливной и инерционной частотой обращается в ноль, ВПВ не могут существовать в виде свободной волны [Vlasenko et al., 2005]. Такие волны являются вынужденными и не могут свободно распространяться от места их генерации.

Инерционные внутренние волны. Инерционные движения в океане являются одним из наиболее интенсивных видов мезомасштабной изменчивости. Временной масштаб инерционных движений определяется величиной Т=12 ч/sinφ, где φ – географическая широта места. Инерционные движения достаточно хорошо идентифицируются на частотных спектрах внутренних волн как четкий пик, близкий к локальной инерционной частоте, и являются наиболее энергетической частью спектра внутренних волн [Коняев, Сабинин, 1992].

В океане инерционные внутренние волны могут проявляться во вращении вектора скорости течения со временем с инерционной частотой, период которой определяется географической широтой места. Механизм возникновения таких волн в однородной жидкости был схематически исследован Россби и по настоящее время остается одним из основных. По его мнению, при возникновении течений под действием ветра сразу же появляется поперечная составляющая скорости, обусловленная силой Кориолиса. Под действием этой силы течение смещается вправо (в северном полушарии), пока не возникнет горизонтальный градиент давления, достаточный для того, чтобы остановить дальнейшее перемещение основной струи течения. Со временем течение достигнет своего равновесного положения, в котором оно еще будет иметь некоторую поперечную скорость вправо, и поэтому его основная струя будет продолжать смещаться за точку равновесия, пока не разовьется избыточный градиент давления, который будет действовать в обратную сторону, то есть влево. Под действием этого градиента, начиная с некоторого момента, течение начнет смещаться влево так, чтобы уменьшить величину градиента давления. Такой процесс происходит непрерывно до тех пор, пока не установится равновесие. Так возникают колебания основной струи течения вокруг своего равновесного положения. Эти колебания возбуждают расходящиеся во все стороны внутренние волны, которые называются инерционными.

Способы наблюдения. Внутренние волны можно изучать при помощи контактных измерений и спутниковых наблюдений. Эти методы имеют свои преимущества и недостатки:

Контактные измерения:

Плюс – позволяют получить детальные характеристики внутренних волн такие как длины, высоты, периоды и спектры;

Минус – требуют дорогостоящего оборудования и судовых операций, имеют низкий пространственный охват.

Спутниковые наблюдения:

Плюс –позволяют получить характеристики внутренних волн такие как длины, направления распространения на акватории всего Мирового океан;

Минус – не позволяют получить информацию о крайне важных высотах и периодах, имеют низкое временное разрешение.

Внутренние волны представляют собой колебания плотности. Однако прямо измерять такие колебания очень сложно. На помощь приходит особенность вертикальной структуры вод океана. Во многих районах Мирового океана положение пикноклина совпадает с положением термоклина. Значит можно измерять колебания термоклина и судить о характеристиках внутренних волн.

Измерять колебания температуры можно двумя основными способами:

1. Проводя частые (с периодом около 2 минут) вертикальные зондирования. Этот метод хорош тем, что зондирующие приборы распространены, но плох тем, что требует большой трудоемкости.
2. Используя так называемые гирлянды температурных датчиков, представляющие собой совокупность датчиков с равным расстоянии друг от друга на общем кабеле. Такие датчики позволяют регистрировать одновременно температуру на многих горизонтах одновременно с малым интервалом по времени, то есть регистрировать пространственно-временную изменчивость вертикального распределения температуры с высоким разрешением. При этом если стоять на якоре с такой гирляндой, то можно изучать эволюцию внутренних волн во времени.

Изучать характеристики внутренних волн из космоса можно по их поверхностным проявлениям. Внутренние волны проявляется на поверхности благодаря тому, что модулируют систему сходящихся и расходящихся на поверхности течений. В зоне схождений генерируется капиллярное поверхностное волнение, а в зоне расхождений – выглаженная морская поверхность. Такие структуры выглядят при взгляде сверху как полосы различной шероховатости. Такие полосы видны даже визуально с борта судна или возвышенности на берегу. Регистрировать эти полосы можно из космоса при помощи радаров с синтезированной апертурой.

Рассмотрим принцип действия этих приборов и механизм регистрации ими поверхностных проявлений внутренних волн. Радары с синтезированной апертурой посылают на поверхность океана сверхвысокочастотное зондирующее излучение, которое на шероховатой морской поверхности рассеивается, в том числе и в обратном направлении. Спутник регистрирует интенсивность этого излучения от многих точек морской поверхности и формирует радиолокационное изображение. Если излучение падает на зону капиллярного волнения, вызванного внутренними волнами, то вследствие так называемого брегговского рассеяния, обратное излучение увеличивается в несколько раз. Если излучение попадает на зону выглаженной поверхности, обратное рассеяние практически не наблюдается.

Таким образом, на радиолокационном изображении мы будем видеть чередующиеся светлые и темные дугообразные полосы, соответствующие картине внутреннего волнения. Так как поверхностные проявления внутренних волн точно им соответствует, мы можем определять такие характеристики волн как длина волны, и вследствие того, что полосы дугообразны – направление распространения волн. Такие характеристики как ширина цуга, длина лидирующего гребня, количество волн в пакете, непосредственно не относятся к самим внутренним волнам, но позволяют по величине этих характеристик судить об их интенсивности.

Способы наблюдения внутренних волн представлены на рис. 6–8.

Чтобы усвоить определение внутренних волн, представьте ситуацию, когда в устойчиво стратифицированной жидкости (плотность возрастает по глубине Z) на некоторой глубине в момент времени t1 из положения равновесия некоторой силой f1 выведен вертикально вниз некоторый объем жидкости с плотностью ρ1.

Двигаясь вниз, объем жидкости попадает в слой с большей, чем у него плотностью ρ2, начинает действовать сила плавучести f2, и в момент времени t2 объем начинает движение вверх. Но ввиду действия силы инерции, объем пропустит свое исходное положение и продолжит движение вверх, в слой с меньшей, чем у него, плотностью ρ3. Начнет действовать сила тяжести f3, в момент времени t3 объем начнет движение вниз, но опять пропустит свое положение равновесия. Возникнут периодические колебания. Из-за того, что объем жидкости в процессе движения задевает соседние объемы, такие колебания способны распространятся. Из-за действия сил трения и обмена свойствами между объемами, такие периодические колебания носят затухающий характер. Ввиду малого градиента плотности, высокой энергии возмущающей силы и высокой инерции, внутренние волны могут достигать огромных, по сравнению с поверхностными, высот, превышающих 100 метров.

Ключевыми особенностями короткопериодных внутренних волн являются:

• малое время жизни;
• высокая нелинейность – проявляющаяся в сильном уклоне склонов волн, неравенстве высот;
• зачастую значительные высоты, превышающие 10 м; такие волны называются интенсивными. Известны случаи регистрации короткопериодных волн высотами до 50 м.
• сложность регистрации – напрямую вытекает из первой особенности. Для регистрации внутренних волн необходимы высокоразрешающие по времени и пространству измерительные приборы.

Актуальность изучения внутренних волн обусловлена их влиянием на природные и техногенные процессы, безопасность подводной навигации и гидротехнических сооружений:

• локальное перемешивание вод приводит к перераспределению потоков тепла и концентрации биогенов [Garwood et al., 2020];
• внутренние волны высотой 10 м способны смещать малые подводные аппараты по вертикали до 5 м [Серебряный, 2016].
• внутренние волны способны приводить к размытию грунта под опорами гидротехнических сооружений [Тюгин и др., 2014].

Иллюстрации

1. Схематическое представление внутренних волн в океане [Атлас океанов, 1996].
2. Схема основных характеристик внутренних волн в координатах времени (слева) и пространства (справа) [сост. автором].
3. Двухслойная модель стратификации: схематическое представление [Атлас океанов, 1996] и реальный профиль температуры, солености и плотности, полученный в июле 2019 года в Белом море [сост. автором].
4. Внутренние приливные волны: а) схематическое представление [Атлас океанов, 1996]; б) запись изотерм в Баренцевом море у мыса Святой Нос [Серебряный, 2002]; в) запись внутренних приливных волн в проливе Карские ворота [Морозов и др., 2017]; г) карта амплитуд внутренних приливных волн в Баренцевом море по результатам математического моделирования [Kagan, 2014].
5. Инерционные внутренние волны: а) схематическое представление [Атлас океанов, 1996]; б) поверхностные проявления в Балтийском море по данным спутникового радиолокатора [Axell, 2002]; в) запись колебаний изотерм в Балтийском море [Axell, 2002].
6. Короткопериодные внутренние волны по данным измерений. Общая схема [Атлас океанов, 1996]; Схема характеристик волн. Запись колебаний изотерм в Белом море [сост. автором]. Запись колебаний изотерм в Баренцевом море [сост. автором].
7. Короткопериодные внутренние волны по данным визуальных наблюдений: а) схематическое представление [Атлас океанов, 1996]; б-в) поверхностные проявления – вид с борта судна в Баренцевом море [фото автора].
8. Короткопериодные внутренние волны по данным спутниковых наблюдений: а - схематическое представление [Атлас океанов, 1996]; б - г – поверхностные проявления в Баренцевом море по данным спутникового радиолокатора Sentinel-1 [Данные – ESA, обработка Свергун Е.И].
9. Схематическое представление возникновения внутренних волн.
10. Битва при Актиуме, 2 сентября 31 г. до н.э. На исход боя мог оказать влияние феномен мертвой воды [Автор: Laureys a Castro, 1672. Фоторепродукция распространяется в соответствии с public domain.]

Народные термины

Мертвая вода – морской термин, обозначающий явление, которое может возникнуть при сильном вертикальном расслоении плотности из-за солености или температуры, или из-за того и другого. Обычно слой пресной или солоноватой воды располагается поверх более плотной соленой воды, при этом два слоя не смешиваются. Это явление часто, но не исключительно, наблюдается во фьордах, где стоки ледников попадают в соленую воду без особого перемешивания. Это явление является результатом выработки энергии внутренними волнами [Danieletto, Brown, Radko, 2019]. Явление было впервые описано для науки Фритьофом Нансеном, норвежским исследователем Арктики. Нансен написал следующее, находясь на своем корабле «Фрам» в августе 1893 года на архипелаге Норденшельда недалеко от полуострова Таймыр: «Когда "Фрам" оказывался в мертвой воде, его, казалось, удерживала какая-то таинственная сила, и он не всегда слушался руля. В тихую погоду, с легким грузом, "Фрам" развивал скорость от 6 до 7 узлов. Находясь в мертвой воде, он не смог сделать 1,5 узла. Мы делали петли на нашем курсе, иногда поворачивали прямо, пробовали всевозможные выходки, чтобы избежать этого, но безрезультатно» [100 великих тайн океана, 2015].

Модельные объекты

Моря Российской Арктики.

Посещение модельных объектов

В рамках экспедиций Плавучего университета ИО РАН.

Источники информации

Атлас океанов. Человек и океан. СПб.: Главное управление навигации и океанографии ВМФ, 1996. 320 с.

Коняев К. В., Сабинин К. Д. Волны внутри океана. Л.: Гидрометеоиздат. 1992. 269 с.

Морозов Е. Г., Козлов И. Е., Щука С. А., Фрей Д. И. Внутренний прилив в проливе Карские ворота // Океанология. 2017. Т.57, № 1. С. 13–24.

Серебряный А. Н. Внутренние волны в прибрежной зоне Баренцева моря // Поверхностные и внутренние волны в арктических морях / Под ред. И. В. Лавренова, Е. Г. Морозова. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. 363 с.

Серебряный А. Н. Воздействие внутренних волн больших амплитуд на буксируемый гидродинамический заглубитель. // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2016. Т. 9, №2. С.39-45.

Степанюк И. А. Методы измерений характеристик морских внутренних волн. СПб: изд. РГГМУ, 2002. 138 с.

Тюгин Д. Ю., Наумов А. А., Куркина О. Е., Куркин А. А., Пелиновский Е. Н. Динамические эффекты в придонном слое, индуцированные аномальными внутренними волнами // Экологические системы и приборы. 2014. № 1. С. 20-28.

100 великих тайн океана / авт.-сост.: А. С. Бернацкий. М.: Вече, cop, 2015. 318 с.

Axell L. Wind-driven internal waves and Langmuir circulation in a numerical ocean of the Baltic Sea // Journal of Geophysical Research. 2002. V. 107 (C1). Art. No. 3204

Danieletto M, Brown JM, Radko T (2019) The Immortal Science of Dead Water: Effects of Internal Wave Drag on Propagating Sub-mergedBodies. J Oceanogr Mar Res 7:191. doi: 10.4172/2572-3103.1000191

Garwood, J.C., R.C. Musgrave, and A.J. Lucas. Life in internal waves // Oceanography. 2020. V. 33(3). P. 38–49.

Kagan, B., Sofina E. Surface and internal semidiurnal tides and tidally induced diapycnal diffusion in the Barents Sea: A numerical study // Continental Shelf Research. 2014. Vol. 91. P. 158-170.

Morozov E. G. Oceanic Internal Tides: Observations, Analysis and Modeling: A Global View // Springer, 2018. – 304 p.

Vlasenko, V., Stashchuk, N., Hutter, K. Baroclinic Tides: Theoretical Modelling and Observational Evidence. New York: Cambridge University Press, 2005. 351 p. DOI: 10.1017/CBO9780511535932.

Составители словарной статьи

Свергун Е. И., канд. геогр. наук, Институт океанологии РАН.