Внутренние волны: объективные условия возникновения, существования и их значение в динамике океана

Представьте, что до 80% энергии, необходимой для поддержания глобальной циркуляции океана и его вертикального перемешивания, невидимо скрыто под поверхностью, переносимое волнами, чьи амплитуды могут достигать сотен метров. Речь идет о внутренних волнах — одном из самых загадочных и могущественных явлений в гидросфере Земли. Эти невидимые гиганты оказывают колоссальное влияние на все аспекты жизни океана: от распределения тепла и питательных веществ до формирования климата и безопасности морского судоходства.

Изучение внутренних волн, их природы, механизмов возникновения, распространения и диссипации является не просто академическим интересом, но и ключевой задачей современной океанографии и геофизики. В условиях стремительно меняющегося климата понимание этих процессов становится критически важным для прогнозирования будущих изменений в океане и их глобальных последствий.

Настоящий реферат призван дать исчерпывающее представление о внутренних волнах. Мы начнем с определения их сущности и ключевых физических характеристик, затем углубимся в объективные условия и сложнейшие механизмы их генерации, рассмотрим математические модели, описывающие их динамику, и проанализируем процессы их распространения и затухания. Отдельное внимание будет уделено значению внутренних волн для динамики океана, их влиянию на экосистемы, климат и даже на подводное судоходство, а также современным методам их наблюдения и регистрации. Цель работы — не только систематизировать существующие знания, но и подчеркнуть многогранность этого явления, его актуальность и перспективы дальнейших исследований.

Фундаментальные основы внутренних волн

Мировой океан — это сложнейшая система, где энергия и вещество постоянно перемещаются под воздействием различных сил. Среди этих процессов особое место занимают волновые движения, которые, казалось бы, хорошо изучены на поверхности. Однако под этой привычной гладью скрывается целый мир невидимых колебаний, чья энергия и масштабы порой превосходят поверхностные аналоги. Это и есть внутренние волны — фундаментальный элемент динамики океана, требующий глубокого понимания, поскольку они управляют ключевыми процессами, от которых зависит глобальная циркуляция и жизнь в глубинах.

Определение и сущность внутренних волн

В своей основе внутренние волны представляют собой колебания устойчиво стратифицированной жидкости, вертикальная амплитуда которых в водной толще гораздо больше, чем на границах жидкости (поверхности и дне). В отличие от поверхностных волн, которые распространяются на границе «вода-воздух», внутренние волны возникают и существуют внутри толщи воды, на границах слоев с различной плотностью.

Ключевой предпосылкой для их существования является устойчивая стратификация вод океана. Под стратификацией понимается разделение водной толщи водоёма на слои различной плотности, где средняя плотность воды увеличивается по направлению ко дну. Если бы океан был однородным по плотности, внутренние волны просто не могли бы существовать, так как для их возникновения необходима сила плавучести, возвращающая смещенную частицу воды в ее равновесное положение в слое определенной плотности. Этот процесс аналогичен колебанию маятника, который возвращается в исходное состояние под действием силы тяжести. В случае с внутренними волнами роль «возвращающей» силы играет плавучесть в условиях градиента плотности.

Внутренние волны формируются в области наибольших градиентов вертикально-неоднородного профиля плотности океанической воды, которая получила название пикноклин. Этот слой, где плотность меняется наиболее резко, может располагаться на разных глубинах в зависимости от региона и сезона, но именно здесь создаются оптимальные условия для генерации и распространения этих скрытых колебаний, что позволяет им аккумулировать огромную энергию.

Основные физические характеристики

Внутренние волны обладают рядом уникальных характеристик, которые отличают их от поверхностных и определяют их роль в океанических процессах.

• Высота волны (амплитуда): Это, пожалуй, самая поразительная характеристика. Высота типичных океанских внутренних волн может быть в 10-100 раз больше, чем высота типичных поверхностных волн, которые редко превышают 5-10 метров в открытом океане. Наблюдаемые в океане ВВ обычно имеют амплитуды 5-20 м, но в определенных регионах они могут достигать и значительно больших высот. Например, внутренние солитоны в Андаманском море могут иметь амплитуду до 60 м, а в Южно-Китайском море и некоторых областях Атлантического океана амплитуды достигали 100-200 м. Амплитуда тем больше, чем менее устойчива плотностная стратификация воды.
• Период волны: Периоды внутренних волн чрезвычайно разнообразны, охватывая широкий диапазон от высокочастотных колебаний до низкочастотных приливных и инерционных волн. Они варьируются от нескольких минут (для высокочастотных) до нескольких десятков минут и часов (для низкочастотных), а также до инерционных и приливных периодов (12-24 часа).
• Длина волны: Длины внутренних волн в океане могут составлять от нескольких метров до сотен километров.
  • Высокочастотные ВВ с периодами от нескольких минут до нескольких часов имеют длины от сотен метров до нескольких километров (обычно 0.1-10 км).
  • Низкочастотные ВВ могут иметь длины от десятков и даже сотен километров (до 200-300 км).
• Фазовая скорость: Скорость распространения колебаний также зависит от типа волны и условий стратификации. Фазовая скорость прогрессивных высокочастотных ВВ составляет от нескольких десятков до сотен сантиметров в секунду (например, до 1-2 м/с), тогда как низкочастотные волны могут распространяться со скоростями до нескольких метров в секунду (например, до 10 м/с).

Для наглядности основные характеристики можно представить в таблице:

Характеристика	Высокочастотные внутренние волны	Низкочастотные внутренние волны
Период	Несколько минут – несколько часов	Несколько часов – приливные/инерционные периоды (до 12-24 ч)
Длина волны	0.1 – 10 км (сотни метров – несколько км)	Десятки – сотни километров (до 200-300 км)
Амплитуда	Типично 5-20 м, до 60-200 м (солитоны)	Десятки – сотни метров (до 100-200 м)
Фазовая скорость	Несколько десятков – сотен см/с (до 1-2 м/с)	Несколько м/с (до 10 м/с)

Понимание этих характеристик позволяет не только классифицировать внутренние волны, но и прогнозировать их поведение, а также оценивать их вклад в крупномасштабные процессы в океане, что особенно важно для климатического моделирования.

Объективные условия возникновения и факторы, влияющие на существование

Для того чтобы внутренние волны зародились и продолжали существовать в океане, необходим специфический набор объективных условий. Эти условия можно разделить на фундаментальные, определяющие саму возможность волнового движения, и триггерные, которые инициируют колебания. Без первого условия в принципе невозможно существование внутренних волн, а без второго — их генерация.

Устойчивая стратификация вод океана

Как уже было отмечено, ключевым условием для возникновения и существования внутренних волн является устойчивая стратификация вод океана, при которой средняя плотность воды увеличивается с глубиной. Этот градиент плотности создает восстанавливающую силу плавучести, которая возвращает смещенные частицы воды в их равновесное положение, тем самым обеспечивая волновое движение.

Внутренние волны формируются преимущественно в области наибольших градиентов вертикально-неоднородного профиля плотности, известной как пикноклин. Именно здесь, на границе слоев с разной плотностью, колебания достигают максимальных амплитуд.

Хотя часто говорят о температурной стратификации как об основном факторе, формирующем пикноклин, на самом деле роль играет не только температура. Основную роль в формировании пикноклина играет стратификация глубинного профиля температуры, поскольку вода, нагреваясь, становится менее плотной и поднимается. Однако, формирование пикноклина также значительно зависит от стратификации глубинного профиля солености, особенно в полярных и прибрежных областях. В этих регионах поступление пресной воды (например, от тающих льдов или речного стока) может создавать сильные градиенты плотности, которые доминируют над температурными эффектами, формируя так называемый галоклин. Таким образом, пикноклин является результатом комплексного воздействия температурных (термоклин) и соленостных (галоклин) градиентов, что объясняет его изменчивость в разных регионах океана.

Взаимодействие приливных течений с топографией дна

Помимо наличия стратификации, необходим внешний источник энергии, который выведет водную толщу из равновесия. Одним из наиболее мощных и универсальных таких источников является взаимодействие приливной волны с топографией дна.

Представьте себе приливное течение, которое представляет собой горизонтальное движение огромных масс воды. Когда это течение наталкивается на препятствие на дне океана, оно вынуждено обтекать его или перетекать через него. При этом горизонтальное движение приобретает вертикальную составляющую. Эти вертикальные смещения особенно эффективны на подводных хребтах, порогах, подводных горах и континентальных склонах. Над такими препятствиями изопикны (линии равной плотности) деформируются, выталкиваясь вверх или опускаясь вниз. Это приводит к вертикальным смещениям положения пикноклина, что, в свою очередь, генерирует внутренние волны, которые затем могут распространяться на значительные расстояния.

Ветровое воздействие и атмосферные возмущения

Не только подводные силы способны генерировать внутренние волны. Атмосфера также играет важную роль. Ветровые волны и приход циклона могут воздействовать на воду в океане, выводя её из равновесия и возбуждая внутренние волны.

Механизмы этого воздействия многогранны:

1. Турбулентное перемешивание в верхнем слое: Сильный ветер создает турбулентность, которая может проникать в верхний слой океана, вызывая смешивание и деформацию пикноклина.
2. Изменение давления на поверхности: Проходящие барические системы (циклоны, антициклоны) изменяют давление на поверхности океана. Эти изменения давления могут оказывать воздействие на толщу воды, вызывая колебания, которые, если их масштабы совпадают с характерными масштабами внутренних волн, могут эффективно их генерировать.
3. Резонансное взаимодействие: Возможно резонансное взаимодействие поверхностных волн, генерируемых ветром, или атмосферных возмущений с внутренними волнами.

Более того, внутренние волны могут возбуждаться под действием анемобарических сил, создаваемых перемещающейся барической системой или фронтальной зоной с резкими колебаниями давления или ветра. Это происходит, когда пространственно-временные масштабы атмосферных возмущений (например, резкие изменения давления на 1-2 мбар или скорости ветра на 5-10 м/с) совпадают с характерными масштабами внутренних волн, вызывая резонанс и эффективную передачу энергии от атмосферы к океану, что приводит к формированию мощных внутренних колебаний.

Эффект «мёртвой воды»

История изучения внутренних волн богата интересными наблюдениями. Одним из таких явлений, демонстрирующих условия их возникновения, является эффект «мёртвой воды». Этот феномен, исторически описанный Ф. Нансеном в 1893 году во время его арктической экспедиции, возникает, когда движущееся судно создает систему внутренних волн на границе слоев, если глубина легкого слоя воды сравнима с осадкой судна.

Суть эффекта заключается в следующем: когда судно движется в условиях сильной стратификации (например, тонкий пресный слой воды поверх соленой), оно не просто отталкивает воду вокруг себя, но и создает «горб» или «впадину» на границе раздела плотностей. Энергия, которая обычно идет на создание поверхностных волн и продвижение судна вперед, в значительной степени тратится на генерацию этих внутренних волн. В результате, судно замедляется или даже останавливается, словно двигаясь через «мёртвую» воду, несмотря на работающие двигатели.

Этот эффект особенно ярко проявляется, когда соотношение толщины верхнего слоя воды (h₁) к осадке судна (D) находится в диапазоне от 1 до 2. То есть, если осадка судна составляет, скажем, 5 метров, а толщина верхнего слоя пресной воды — от 5 до 10 метров, то судно может столкнуться с значительным сопротивлением. Таким образом, «мёртвая вода» не только является интересным физическим феноменом, но и служит наглядным примером того, как даже относительно небольшие возмущения могут генерировать мощные внутренние волны при наличии благоприятных условий стратификации, демонстрируя скрытую мощь этих явлений.

Механизмы генерации внутренних волн

Понимание того, как возникают внутренние волны, является ключевым для их изучения. Источники энергии и механизмы, приводящие к их формированию, весьма разнообразны, но среди них выделяются доминирующие процессы, определяющие глобальную картину волновой динамики в океане.

Приливные силы и взаимодействие с рельефом дна

Если говорить о масштабах, то основным источником генерации внутренних волн являются приливы. Эти грандиозные планетарные явления, вызванные гравитационным взаимодействием Земли с Луной и Солнцем, возбуждают баротропные приливы. Баротропные приливы представляют собой колебания всей толщи воды, не зависящие от глубины. Однако их истинная мощь проявляется, когда они сталкиваются с препятствиями.

Взаимодействие баротропного приливного течения с неоднородностями рельефа дна служит основным механизмом возникновения внутренних приливных волн. Когда горизонтальное приливное течение, распространяясь в глубоком океане, наталкивается на подводные хребты, пороги, подводные горы или континентальные склоны, оно вынуждено перетекать через эти препятствия. Это перетекание приводит к вертикальным смещениям изопикн (поверхностей равной плотности), что и генерирует внутренние приливные волны.

Масштабы этого процесса поражают: приливы обеспечивают до 70-80% всей энергии, которая трансформируется в внутренние волны, что составляет около 3 ТВт глобально. Эта колоссальная энергия затем распространяется по всему Мировому океану, влияя на перемешивание и динамику течений.

Примеров таких мощных генераторов множество. Например, мощные внутренние приливные волны генерируются на Ломоносовском хребте в Арктике и в проливах между островами. Одним из хорошо изученных регионов является район Гавайских островов, в частности, у острова Оаху, где на седловинах поперечных хребтов приливные течения, перетекая через подводные хребты, вызывают интенсивные внутренние волны. Эти волны могут распространяться на сотни километров от мест генерации, формируя целые пакеты солитонов, что позволяет им эффективно переносить энергию на огромные расстояния.

Движение объектов и аномальные образования

Помимо крупномасштабных приливных сил, внутренние волны могут быть возбуждены и локальными источниками. Возможно возбуждение внутренних волн при движении (обтекании) твёрдых тел, пятен турбулентности, водных линз и других неволновых образований с аномальными характеристиками.

Рассмотрим эти примеры подробнее:

• Твёрдые тела: Это могут быть как естественные объекты, например, айсберги, движущиеся в стратифицированной воде, так и антропогенные — подводные аппараты или буксируемые объекты. Когда такой объект движется, он создает возмущение в плотностной стратификации, которое может излучать внутренние волны. Скорость и форма объекта, а также характеристики стратификации определяют параметры генерируемых волн.
• Пятна турбулентности: Локальные области интенсивного турбулентного перемешивания, возникающие, например, от обрушения поверхностных волн или взаимодействия течений с неоднородностями дна, могут излучать внутренние волны по мере их диссипации.
• Водные линзы: Подводные вихревые образования или, например, линзы Средиземноморской воды (так называемые меди), которые являются крупными, медленно вращающимися вихрями с аномальными характеристиками температуры и солености, перемещаясь в стратифицированном океане, также могут излучать внутренние волны. Эти линзы действуют как движущиеся источники возмущений, деформируя изопикны вокруг себя и генерируя волновые пакеты, что делает их важным механизмом локального волнового возбуждения.

Речные плюмы

Ещё одним важным, хотя и более локальным, механизмом генерации являются речные плюмы. Речной плюм — это слой пресной или опресненной воды, который распространяется от устья реки над более плотными морскими водами.

Генерация внутренних волн речными плюмами происходит, когда при распространении плюма замедляется поток, и короткопериодные внутренние волны излучаются при взаимодействии лидирующей кромки плюма с пикноклином. По мере продвижения пресной воды в море, ее скорость замедляется из-за трения и смешивания. На «головной» части плюма, где происходит наиболее интенсивное взаимодействие с нижележащими морскими водами, возникают сильные градиенты плотности и скорости. Эти градиенты создают условия для генерации внутренних волн, которые затем могут распространяться как в толщу океана, так и вдоль границы раздела плюма и морской воды. Этот механизм играет важную роль в динамике прибрежных вод и эстуариев, влияя на местные экосистемы и перемешивание.

Математическое описание и моделирование внутренних волн

Для глубокого понимания внутренних волн и прогнозирования их поведения недостаточно лишь качественного описания. Необходим строгий математический аппарат, который позволяет количественно анализировать их динамику, распространение и взаимодействие с окружающей средой. Математическое моделирование является краеугольным камнем современной океанографии.

Основные уравнения и параметры

Описание волновой динамики внутренних гравитационных волн, особенно в присутствии фоновых полей сдвиговых течений, представляет собой сложную задачу. Даже в линейном приближении она сводится к анализу системы уравнений в частных производных, включающей уравнения сохранения массы, импульса и энергии, а также уравнение состояния морской воды. Эти уравнения описывают взаимосвязь между возмущениями скорости, давления и плотности в стратифицированной среде.

Центральное место в математическом описании стратификации плотности занимает частота Брента — Вяйсяля (или частота плавучести). Она является ключевым параметром, характеризующим устойчивость стратифицированной жидкости и определяющим максимально возможную частоту внутренних волн.

Частота Брента — Вяйсяля, N, определяется формулой:

N2(z) = -g (dlnρ/dz)

где:

• N — частота Брента — Вяйсяля (единицы рад/с или с⁻¹).
• g — ускорение свободного падения (приблизительно 9.81 м/с²).
• ρ — плотность стратифицированной среды (кг/м³).
• z — вертикальная координата, направленная вверх (м).

Физический смысл N заключается в том, что это частота, с которой частица жидкости, смещенная по вертикали из своего равновесного положения, будет колебаться под действием силы плавучести. Если N² > 0, стратификация устойчива, и внутренние волны возможны. Если N² < 0, стратификация неустойчива, и возникает конвекция, что объясняет, почему этот параметр так критичен для предсказания волновых явлений.

Модели для различных режимов

Динамика внутренних волн может сильно различаться в зависимости от их амплитуды, длины и глубины водного бассейна, что требует применения различных математических моделей:

• Слабонелинейные модели: Эти модели применяются для описания внутренних волн с малыми, но конечными амплитудами, где нелинейные эффекты уже заметны, но еще не доминируют. Они особенно актуальны в неглубоких водах или при слабой нелинейности. Наиболее известными примерами являются обобщения уравнений Кортевега – де Вриза (КдВ) и Гарднера. Уравнение КдВ, например, прекрасно описывает распространение внутренних солитонов (уединенных волн), сохраняющих свою форму при движении.
• Сильно нелинейные модели: Для описания внутренних волн большой амплитуды, включая мощные солитоны, а также в условиях сильной нелинейности и дисперсии, требуются более сложные подходы. Здесь используются модели Камасса – Чоя и Островского – Гру. Эти модели учитывают более сложные взаимодействия, которые не могут быть описаны в рамках слабонелинейного приближения.
• Модельные решения успешно используются для прогнозирования распространения внутренних волн и их влияния на гидроакустические поля, а также для оценки вертикального перемешивания. Например, в таких областях, как пролив Каттегат или Северное море, были получены согласующиеся с натурными измерениями результаты, что подтверждает применимость этих моделей.

Упрощённые подходы и их ограничения

Для получения аналитических решений, которые позволяют глубже понять фундаментальные принципы, часто используются упрощённые модели. К ним относятся:

• Постоянное распределение частоты плавучести (N = const): В этом случае предполагается, что стратификация плотности равномерна по всей глубине.
• Линейные зависимости фонового сдвигового течения от глубины: Предполагается, что скорость фонового течения меняется с глубиной по линейному закону.

Эти упрощения позволяют существенно облегчить математические выкладки и получить ценные инсайты о дисперсионных свойствах волн и их взаимодействии с течениями. Однако, их ограничения очевидны: они неспособны адекватно описывать сложные профили стратификации и сдвига, встречающиеся в реальном океане, что может приводить к неточностям в расчетах дисперсии и диссипации волн. Разве не стоит стремиться к максимально точным моделям, учитывая глобальное значение этих процессов?

Коэффициенты нелинейности и дисперсии

В математических моделях внутренних волн, особенно при описании нелинейных явлений, таких как солитоны, важную роль играет коэффициент нелинейности. Например, в обобщенном уравнении Кортевега – де Вриза этот коэффициент, обозначаемый как α, имеет вид:

α = 3 / (2 * c) * (1 - h1 / h2) / h1

где:

• α — коэффициент нелинейности.
• с — фазовая скорость внутренних волн.
• h₁ — толщина верхнего слоя.
• h₂ — толщина нижнего слоя.

Этот коэффициент α определяет степень нелинейности внутренних волн и их склонность к формированию солитонов. Чем больше его абсолютное значение, тем сильнее нелинейные эффекты, что позволяет прогнозировать возможность образования таких мощных и потенциально опасных явлений, как внутренние солитоны с амплитудами в сотни метров.

Влияние сдвиговых течений

Наличие фоновых сдвиговых течений существенно усложняет математическую задачу. Краевая задача для амплитуды вертикальной скорости фиксированной моды внутренних волн имеет комплексные коэффициенты при наличии поперечной к направлению распространения волны компоненты скорости течения, зависящей от вертикальной координаты.

Наличие комплексных коэффициентов указывает на то, что фаза и амплитуда волны могут изменяться по вертикали, а также на возможное поглощение или генерацию энергии волны за счет взаимодействия со сдвиговым течением. Это приводит к усложнению картины распространения волн: они могут не только изменять свою форму и скорость, но и обмениваться энергией с фоновым течением, что является важным механизмом их диссипации или усиления, а также объясняет сложность их поведения в реальном океане.

Распространение и диссипация внутренних волн

После своего зарождения внутренние волны не остаются статичными; они начинают путешествие по океану, претерпевая изменения, взаимодействуя с окружающей средой и в конечном итоге рассеивая свою энергию. Эти процессы распространения и диссипации играют критически важную роль в глобальной динамике океана.

Механизмы диссипации

Диссипация, или затухание, внутренних волн — это процесс, при котором их энергия постепенно рассеивается, трансформируясь в другие формы энергии, в основном в турбулентность и тепло. Существует несколько ключевых механизмов диссипации:

1. Динамическая неустойчивость и разрушение на шельфе: По мере распространения от глубоководных районов к шельфу внутренние волны сталкиваются с уменьшением глубины. При этом, когда отношение амплитуды волны к глубине становится значительным, обычно при глубинах менее 100-200 метров и крутых склонах дна (с уклоном более 1:100), волны могут становиться динамически неустойчивыми и разрушаться. Этот процесс приводит к трансформации волновой энергии в придонные течения и вихри, а также к интенсивной генерации турбулентности и смешиванию.
2. Уменьшение глубины пикноклина: Одной из существенных причин диссипации внутренних волн является уменьшение глубины пикноклина по мере распространения от глубоководных районов к шельфу или при изменении стратификации. Это приводит к увеличению нелинейности волн, их искажению и разрушению, так как энергия волн концентрируется в более тонком слое, что способствует диссипации энергии.
3. Взаимодействие цугов внутренних волн: Взаимодействие цугов внутренних волн друг с другом, особенно на шельфе, может ускорять их распад. Это происходит через нелинейные резонансные процессы, ведущие к перераспределению энергии между различными модами волн и ускоренной диссипации. Столкновение волновых пакетов также может усиливать локальную турбулентность, способствуя рассеянию энергии.
4. Волновое обрушение: Аналогично поверхностным волнам, внутренние волны могут «обрушиваться», когда их крутизна достигает критического значения, особенно при взаимодействии с рельефом дна или сильными сдвиговыми течениями, высвобождая накопленную энергию.

Влияние течений и рельефа дна на распространение

Распространение внутренних волн редко происходит по прямой линии. На их траекторию и характеристики влияют различные факторы:

1. Рефракция: Рефракция внутренних волн, то есть искривление их фронта, возникает из-за изменений скорости распространения. Это происходит по нескольким причинам:
   • Уменьшение глубины пикноклина: Как и в случае с диссипацией, изменение глубины слоя, в котором распространяются волны, приводит к изменению их фазовой скорости и, следовательно, к рефракции.
   • Взаимодействие с рельефом дна: Изменение глубины дна влияет на дисперсионные свойства волн, заставляя их изгибаться. Рефракция из-за дна может приводить к изменению длины волны на 20-50% и изменению направления распространения на 30-60 градусов, особенно в областях с сильными градиентами глубин.
   • Неоднородности течения: Течения, особенно с горизонтальным сдвигом скорости, могут значительно влиять на рефракцию внутренних волн. Например, вблизи струйных течений, таких как Гольфстрим или Куросио, горизонтальный сдвиг скорости может вызывать значительную рефракцию, изменяя длину волны на 10-30% и фазовую скорость на 5-15%. Это также может направлять волны в определенные зоны, где они могут усиливаться или ослабляться.

Роль в вертикальном перемешивании

Диссипация внутренних волн является одним из ключевых факторов, обеспечивающих вертикальное перемешивание в океане. Диссипация приливов полусуточной частоты приводит к формированию пакетов короткопериодных внутренних волн, которые аккумулируют энергию внутренних приливов. Эти волны переносят энергию при своём распространении (иногда на сотни километров от мест генерации) и постепенно диссипируют, перемешивая воды. Этот процесс обеспечивает вертикальное перемешивание в океане со скоростью до 10^-4 — 10^-3 м²/с, что является жизненно важным для поддержания глобальной циркуляции.

Примером сложного взаимодействия течений и внутренних волн является Датский пролив. Здесь внутренние волны, распространяющиеся против среднего течения в северной части, более интенсивные, демонстрируя амплитуды до 30-40 метров и скорости до 1 м/с. В то же время, в южной части пролива, при распространении в одном направлении с течением, их амплитуда уменьшается до 10-15 метров, а длина волны увеличивается в 1.5-2 раза. Это наглядно демонстрирует, как фоновые течения могут модулировать характеристики внутренних волн, определяя их конечную судьбу.

Вертикальный перенос импульса

Помимо переноса энергии, внутренние волны также играют роль в переносе импульса. Вертикальный волновой поток импульса отличен от нуля у инерционно-гравитационных внутренних волн при наличии поперечной к направлению распространения волны компоненты скорости течения, зависящей от вертикальной координаты.

Этот поток импульса может достигать величин порядка 10^-3 — 10^-2 Па. Это указывает на значительный вклад этих волн в динамику крупномасштабных течений и общую циркуляцию океана за счет передачи импульса от верхних слоев к нижним. Таким образом, внутренние волны не просто перемешивают воду, но и влияют на баланс сил, управляющих крупномасштабными течениями, что является важнейшим аспектом глобальной динамики океана, оказывая влияние на циркуляцию в целом.

Значение внутренних волн для динамики океана и его экосистем

Внутренние волны, будучи невидимыми для невооруженного глаза, оказывают глубокое и многогранное влияние на все аспекты океанической среды. Их роль простирается от фундаментальных физических процессов до формирования условий для жизни морских организмов и даже обеспечения безопасности человеческой деятельности.

Вертикальное перемешивание и транспорт энергии/вещества

Одним из самых значимых вкладов внутренних волн является их участие в вертикальном перемешивании вод и динамике крупномасштабных течений. Это не просто локальное явление; внутренние волны играют ключевую роль в глобальном вертикальном перемешивании океана, обеспечивая до 30-50% всей энергии, необходимой для поддержания стратификации и циркуляции, что эквивалентно потоку энергии порядка 0.5-1 ТВт.

Они обеспечивают существенный вклад в перемешивание океана, передавая энергию в другие масштабы вплоть до турбулентности. Особенно интенсивно это происходит на континентальных склонах и хребтах, где коэффициенты турбулентной диффузии могут достигать 10^-3 м²/с, что на порядок выше, чем в открытом океане. Эта турбулентность, генерируемая разрушающимися внутренними волнами, поднимает холодные, богатые питательными веществами воды из глубины и опускает теплые, насыщенные кислородом поверхностные воды.

Таким образом, внутренние волны способствуют перераспределению не только энергии, но и биогенных веществ, планктона и растворенных газов по вертикали и горизонтали. Это напрямую влияет на биологическую продуктивность океана, создавая зоны апвеллинга, где морская жизнь процветает, и влияя на химический состав вод, включая циклы углерода и кислорода.

Формирование тонкой структуры гидрофизических полей

Внутренние волны не просто движутся в океане; они активно перестраивают его структуру. В океане внутренние волны формируют тонкую структуру полей температуры и солености, создавая слоистые неоднородности толщиной от метров до десятков метров. Эти «слои» и «линзы» являются результатом волнового движения, которое перемешивает воду, создавая градиенты и инверсии температуры и солености на разных глубинах.

Они могут вызывать значительную изменчивость гидрофизических полей, такую как колебания температуры до 5-10 °C и солености до 0.5-1 PSU на фиксированных горизонтах, а также изменения в структуре течений до нескольких десятков см/с. Эта тонкая структура имеет важное значение для вертикального обмена, а также для распространения света и звука в океане, что определяет условия для всей подводной жизни.

Влияние на распространение звука

Для подводных коммуникаций, навигации и обнаружения крайне важно понимать, как ведут себя звуковые волны в толще воды. Внутренние волны могут значительно влиять на распространение звука в океане, вызывая флуктуации скорости звука до нескольких десятков м/с.

Эти флуктуации, в свою очередь, приводят к:

• Формированию акустических «теневых зон»: Области, куда звук не проникает или проникает с большим затуханием.
• Изменению траекторий звуковых лучей: Искривление и отклонение звуковых лучей от прямолинейного распространения.
• Модуляции звуковых каналов: Изменение характеристик подводных звуковых каналов, по которым звук может распространяться на большие расстояния.

Все это существенно сказывается на работе гидроакустических систем, используемых в военном деле, научных исследованиях и гражданском судоходстве, делая прогнозирование поведения внутренних волн критически важным для морских операций.

Опасность для подводного судоходства

Поразительные амплитуды внутренних волн делают их не только интересным объектом изучения, но и источником потенциальной опасности. Внутренние гравитационные волны могут представлять серьёзную опасность для подводного судоходства в областях их интенсивной генерации.

В таких регионах, как Южно-Китайское или Андаманское моря, где наблюдаются внутренние солитоны с амплитудами до 100-200 м, подводные лодки могут испытывать резкие вертикальные усилия. Эти силы способны вызывать неконтролируемые изменения глубины и потерю управляемости, что создает критические ситуации для экипажа. Поэтому для подводных аппаратов крайне важно учитывать зоны повышенной активности внутренних волн, что требует постоянного мониторинга и точного прогнозирования их поведения.

Влияние на придонный слой

Внутренние волны не ограничиваются лишь водной толщей. Их влияние распространяется и на дно океана. В придонном слое внутренние волны могут вызывать изменение давления на дне с амплитудой до нескольких десятков паскалей (например, до 20-50 Па).

Эти колебания давления, в свою очередь, возбуждают турбулентный пограничный слой, связанный с горизонтальным течением жидкости, и способствуют транспорту донных осадков. Это имеет важное значение для геологических процессов, таких как эрозия дна, формирование донных структур и перераспределение седиментов, а также для экосистем, обитающих на дне океана. Интенсификация внутренних волн в зоне сопряжения шельфа и континентального склона, на глубинах 100-500 метров, где их интенсивность может увеличиваться в 2-5 раз по сравнению с открытым океаном, является фактором интенсификации вертикального обмена, повышая коэффициенты турбулентной диффузии до 10^-3 м²/с и усиливая все описанные процессы, что делает придонные слои океана динамичной средой.

Методы наблюдения и регистрации внутренних волн

Изучение внутренних волн сопряжено с определенными трудностями, поскольку они невидимы и проявляются в глубине водной толщи. Однако развитие технологий позволило разработать и усовершенствовать различные методы их наблюдения и регистрации, включающие как дистанционное зондирование, так и контактные инструментальные измерения.

Дистанционное зондирование (спутниковые данные)

Одним из наиболее эффективных и крупномасштабных методов исследования внутренних волн является дистанционное зондирование с использованием спутниковых данных. Этот подход основан на изучении поверхностных проявлений внутренних волн на спутниковых снимках.

• Принцип работы: Хотя внутренние волны распространяются в толще воды, они могут вызывать слабые, но заметные эффекты на поверхности океана. Эти эффекты проявляются в виде квазипериодических изменений характеристик поверхностного волнения, которые выглядят как чередующиеся гладкие полосы (слики) и полосы ряби (сулои). Слики образуются в зонах сходящихся течений, где поверхностное волнение подавляется, а сулои — в зонах расходящихся течений, где волнение усиливается.
• Используемые технологии: Для регистрации этих изменений применяются синтетические апертурные радары (САР), устанавливаемые на спутниках, таких как Sentinel-1, TerraSAR-X, COSMO-SkyMed. Эти радары работают в различных диапазонах частот (X-, C- и L-диапазоны) и обеспечивают высокое пространственное разрешение, от 1 до 100 метров, что позволяет детально рассмотреть волновые пакеты на поверхности.
• Объекты наблюдения: На космических снимках преимущественно отображаются высокочастотные внутренние волны (с периодами от нескольких минут до нескольких часов). Это связано с тем, что их относительно короткие длины волн и высокие амплитуды создают более заметные и четкие поверхностные проявления, которые легче уловить спутниковыми сенсорами. Низкочастотные и длиннопериодные внутренние волны, как правило, имеют более слабые и размытые поверхностные сигнатуры, что затрудняет их обнаружение дистанционными методами, ограничивая применимость этого метода для полного спектра внутренних волн.

Инструментальные наблюдения (буйковые станции)

Для получения более детальной и точной информации о вертикальной структуре и эволюции внутренних волн используются инструментальные, или контактные, методы наблюдения.

• Буйковые станции: Это основной инструментальный подход. Буйковые станции для обнаружения внутренних волн оснащаются термисторными цепями (гирляндами термодатчиков). Эти гирлянды состоят из множества датчиков (обычно 10-50 датчиков на глубину до нескольких сотен метров), которые регистрируют колебания температуры с высоким разрешением (до 0.01-0.1 °C) и интервалом от секунд до минут. Поскольку внутренние волны вызывают вертикальные смещения слоев воды с разной температурой, колебания температуры на фиксированной глубине являются прямым индикатором прохождения внутренней волны.
• Измерения течений: Помимо температуры, на буях часто устанавливаются акустические доплеровские профилографы течений (АДПТ). Эти приборы измеряют скорость и направление течений на различных глубинах, что позволяет фиксировать горизонтальные и вертикальные составляющие скорости воды, связанные с прохождением внутренних волн.
• Расчет характеристик: Комбинированные измерения течений и температуры на буях применяются для расчета характеристик внутренних приливных волн. Это включает определение их фазовой скорости, длины волны, направления распространения и энергии. Анализ осуществляется путем изучения спектров временных рядов данных (для выявления периодичностей) и применения методов кросс-корреляции между данными с разных горизонтов (для определения фазовых сдвигов и вертикальной структуры волны).

Сочетание дистанционных и инструментальных методов позволяет получить наиболее полное представление о внутренних волнах, их пространственно-временной изменчивости и роли в глобальной динамике океана. Спутниковые данные обеспечивают широкий охват и общую картину, тогда как буйковые станции предоставляют высокоточные данные о вертикальной структуре и деталях волновых процессов, позволяя компенсировать ограничения каждого метода.

Заключение

Внутренние волны, эти невидимые, но могущественные колебания в толще стратифицированного океана, являются одним из ключевых элементов, формирующих динамику нашей планеты. От скромных колебаний на границах плотностей до грандиозных солитонов с амплитудами в сотни метров, они непрерывно трансформируют энергию, перемешивают воды и влияют на жизнь океана в самых разнообразных проявлениях.

Мы рассмотрели, что основой для их возникновения служит устойчивая стратификация плотности, формируемая в основном температурными и соленостными градиентами. Триггерами же выступают масштабные приливные течения, взаимодействующие с рельефом дна (подводные хребты, континентальные склоны), а также атмосферные возмущения и даже движение судов, создающие эффект «мёртвой воды».

Механизмы генерации удивительны по своей эффективности: приливы обеспечивают до 80% всей энергии, трансформирующейся в внутренние волны (около 3 ТВт глобально), которые затем распространяются от мест зарождения, таких как Ломоносовский хребет в Арктике или подводные горы у Гавайских островов. В то же время, локальные явления, вроде речных плюмов или движущихся подводных объектов, также вносят свой вклад в эту сложную систему.

Математическое описание внутренних волн, хоть и сложное, с использованием уравнений в частных производных и частоты Брента — Вяйсяля N²(z) = -g (dlnρ/dz), позволяет моделировать их поведение от слабонелинейных до сильно нелинейных режимов, включая солитоны, определяемые коэффициентом нелинейности α = 3 / (2 * c) * (1 — h₁ / h₂) / h₁. Эти модели помогают нам заглянуть в будущее океана, предсказывая их распространение и влияние.

Процессы распространения и диссипации столь же многогранны: на шельфе волны разрушаются, генерируя турбулентность, а рефракция, вызванная течениями и рельефом дна, искривляет их пути. При этом диссипация внутренних волн — это не просто затухание, а фундаментальный механизм вертикального перемешивания, обеспечивающий до 30-50% всей энергии, необходимой для поддержания стратификации и циркуляции, и способствующий переносу импульса в толще океана.

Значение внутренних волн для динамики океана трудно переоценить. Они формируют тонкую структуру гидрофизических полей, влияют на распространение звука, создают опасность для подводного судоходства с амплитудами до 200 метров и даже участвуют в транспорте донных осадков. Перераспределение биогенных веществ и планктона, обусловленное внутренними волнами, играет важнейшую роль в поддержании океанических экосистем.

Современные методы наблюдения, от дистанционного зондирования с использованием спутниковых САР-радаров (Sentinel-1, TerraSAR-X) до инструментальных буйковых станций с термисторными цепями и АДПТ, позволяют нам получать все более полную картину этих процессов, что крайне важно для мониторинга и прогнозирования.

В конечном итоге, изучение внутренних волн — это не просто отдельная глава в океанографии. Это комплексная и динамичная область знаний, которая имеет прямое отношение к пониманию глобальных климатических изменений, управлению морскими ресурсами, обеспечению безопасности и развитию новых технологий. Перспективы дальнейших исследований в области численного моделирования, развития методов дистанционного зондирования и глубоководных автономных аппаратов обещают более точное прогнозирование и оценку их воздействия на нашу планету.

Список использованной литературы

1. Браже, Р. А. Восемь лекций по физике атмосферы и гидросферы.
2. Миропольский, Ю. В. Динамика внутренних гравитационных волн в океане. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1981.
3. ВОЛНЫ В ОКЕАНЕ. Большая российская энциклопедия — электронная версия. URL: https://bigenc.ru/physics/text/3494792 (дата обращения: 10.10.2025).
4. Внутренние волны. Океан из космоса. URL: http://ocean.ru/index.php?id=3849 (дата обращения: 10.10.2025).
5. FAQ: Внутренние волны в океане — все самое интересное на ПостНауке. URL: https://postnauka.ru/faq/93060 (дата обращения: 10.10.2025).
6. 5 фактов о перемешивании океана, измерении волн и приливных силах. ИТЕРА. URL: https://itera.online/news/5-faktov-o-peremeshivanii-okeana-izmerenii-voln-i-prilivnyh-silah/ (дата обращения: 10.10.2025).
7. Внутренние волны. РГГМУ. URL: https://rggmu.ru/nauka/nauchnye-napravleniya/sovremennye-issledovaniya-dinamiki-okeanov/vnutrennie-volny (дата обращения: 10.10.2025).
8. Внутренние волны в океане. ИПФ РАН. URL: https://www.ipfran.ru/science/hydrophysics/pages/iwaves.html (дата обращения: 10.10.2025).
9. Внутренние волны. URL: https://geolike.ru/books/item/f00/s00/z0000007/st006.shtml (дата обращения: 10.10.2025).
10. Булатов, В. В. ВНУТРЕННИЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ В ОКЕАНЕ С ФОНОВЫМИ СДВИГОВЫМИ ТЕЧЕНИЯМИ. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vnutrennie-gravitatsionnye-volny-v-okeane-s-fonovymi-sdvigovymi-techeniyami (дата обращения: 10.10.2025).
11. Известия РАН. Физика атмосферы и океана. Т. 58, № 6 (2022). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49911993 (дата обращения: 10.10.2025).
12. Внутренние волны.объективные условия их возникновения и существования. Studgen. URL: https://studgen.ru/vnutrennie-volny-obektivnye-usloviya-ikh-vozniknoveniya-i-sushchestvovaniya/ (дата обращения: 10.10.2025).
13. Влияние рельефа дна на внутренние волны. Efffects of bottom topography on Internal waves. ResearchGate. URL: https://www.researchgate.net/publication/320395781_Vlianie_relefa_dna_na_vnutrennie_volny_Efffects_of_bottom_topography_on_Internal_waves (дата обращения: 10.10.2025).
14. Морозов, А. Н. Внутренние приливы в северо-западной части Тихого океана по данным измерений на Мегаполигоне. Фундаментальная и прикладная гидрофизика. URL: https://hydrophysics.ru/index.php/hydro/article/view/184 (дата обращения: 10.10.2025).
15. ФАЗОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕЙ ВНУТРЕННИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН В ОКЕАНЕ СО СДВИГОМ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЙ. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/fazovye-harakteristiki-poley-vnutrennih-gravitatsionnyh-voln-v-okeane-so-sdvigom-skorosti-techeniy (дата обращения: 10.10.2025).
16. внуТренние приливнЫе волнЫ в даТСКом проливе. Eco-Vector Journals Portal. URL: https://journals.eco-vector.com/0002-3515/article/view/17604 (дата обращения: 10.10.2025).
17. ВНУТРЕННИЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ ПРИ КРИТИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ ГЕНЕРАЦИИ И. Math-Net.Ru. URL: https://www.mathnet.ru/php/getFT.phtml?jrnid=fa&paperid=1067&option_lang=rus (дата обращения: 10.10.2025).
18. ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ПРИЛИВНЫХ ВНУТРЕННИХ ВОЛН У ОСТРОВА ОАХУ (ГАВА). НИИ «Аэрокосмос. URL: https://www.aerocosmos.ru/docs/ok49_3_2009.pdf (дата обращения: 10.10.2025).
19. Оценка параметров внутренних волн в Арктике по данным спутниковых ра. Морской гидрофизический журнал. URL: https://mhj.marine-hydro.ru/jour/article/viewFile/313/313 (дата обращения: 10.10.2025).
20. Генерация вертикальной тонкой структуры внутренними волнами на сдвиговом течении. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/generatsiya-vertikalnoy-tonkoy-struktury-vnutrennimi-volnami-na-sdvigovom-techenii (дата обращения: 10.10.2025).
21. Вертикальный перенос импульса внутренними волнами в западной части Средиземного моря. Морской гидрофизический журнал. URL: https://mhj.marine-hydro.ru/jour/article/viewFile/2149/2149 (дата обращения: 10.10.2025).
22. Подводная топография. Океан из космоса. URL: http://ocean.ru/index.php?id=3852 (дата обращения: 10.10.2025).
23. ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС ИМПУЛЬСА ИНЕРЦИОННО-ГРАВИТАЦИОННЫМИ ВНУТРЕННИМИ ВОЛНАМИ НА ДВУМЕРНОМ СДВИГОВОМ ТЕЧЕНИИ. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vertikalnyy-perenos-impulsa-inertsionno-gravitatsionnymi-vnutrennimi-volnami-na-dvumernom-sdvigovom-techenii (дата обращения: 10.10.2025).
24. Самодуров, А. С. Интенсификация внутренних волн в зоне сопряжения шельфа и континентального склона как фактор интенсификации вертикального обмена. Фундаментальная и прикладная гидрофизика. URL: https://hydrophysics.ru/index.php/hydro/article/view/207 (дата обращения: 10.10.2025).