Почему в штиль вода у Сочи ходит по кругу: инерционный дрейф и его семнадцать часов

Принято думать, что у дрейфа две причины: ветер и течение. Уберите обе — и брошенный в море поплавок будет стоять на месте, а если его чуть подтолкнуть, поплывёт по прямой, пока не остановится. Физика океана с этим не согласна. Подтолкнутая вода в открытом море не тормозит по прямой, а заворачивает вправо и описывает круг, и на широте Сочи один оборот занимает около 17 часов 20 минут. Ни ветра, ни течения для этого не нужно: работает вращение Земли.

Цифра не из учебника для красоты. Дрифтеры Морского гидрофизического института, запущенные в Чёрное море в 2001–2007 годах, эти петли записали. Радиус — от одного до полутора километров, скорость по кругу — около десяти сантиметров в секунду.

Семнадцать часов и двадцать минут

Формула у явления короткая. Половину звёздных суток (это без малого 11 часов 58 минут) делят на синус широты. Для Сочи, 43,6° северной широты, синус около 0,69, и выходит примерно 17,4 часа. Океанологи называют это инерционным периодом, а само движение — инерционными колебаниями.

Из формулы видно, что период зависит только от того, где вы находитесь. На полюсе круг замыкается быстрее всего, почти за 12 часов. В Москве, будь там море, вышло бы около 14,5. У Севастополя, чуть севернее нас, — около 17. У Батуми уже больше 18. А ближе к экватору период растягивается до бесконечности: в Сингапуре круг занял бы три недели, то есть, по сути, не замкнулся бы никогда, потому что за это время всё давно перемешают ветер и течения.

Если эта зависимость от широты кажется знакомой, так и есть. Маятник Фуко, тот самый, что в 1851 году качался под куполом парижского Пантеона, поворачивает плоскость качания ровно по тому же закону — только вдвое медленнее. Для Сочи маятник сделал бы полный оборот примерно за 35 часов. Вода успевает за это время обойти свой круг дважды.

Если заглушить мотор прогулочного катера в штиль где-нибудь в паре миль от берега, катер вместе со всей окружающей водой может в эту минуту идти по такой дуге. Почувствовать её невозможно — ни качки, ни струи вдоль борта. Об этом ниже.

Почему вода вообще поворачивает

Никакая сила воду не толкает вбок. Представьте, что вы катите шар по вращающейся карусели: сам шар летит прямо, но пол под ним уходит, и с точки зрения стоящего на карусели траектория загибается. Земля — та же карусель, только медленная, и мы на ней. Поправку, которую приходится вводить, чтобы описывать движение из вращающейся системы, называют силой Кориолиса. В Северном полушарии она уводит всё движущееся вправо от направления хода.

Пока воду держит ветер, поворот уравновешен. Ветер стих — и остаётся вода, которая по инерции ещё движется, и поправка, которая всё время тянет её вправо. Справа, справа, справа — и через 17 с небольшим часов вода возвращается туда, откуда начала. Отсюда и название: движение идёт по инерции, без мотора.

Странность заметил Фритьоф Нансен в дрейфе «Фрама» в 1890-х. Льды шли не по ветру, а на 20–40° правее. Нансен попросил разобраться Вильгельма Бьеркнеса, а тот передал задачу своему студенту Вагну Экману, тому самому, который в баке разгадал «мёртвую воду» того же «Фрама». В 1905 году вышла статья Экмана о влиянии вращения Земли на морские течения, и с неё начинается вся теория ветрового переноса.

Та же поправка работает у нас каждое лето. Ветер вдоль берега гонит поверхностную воду, при подходящем направлении её уводит вправо, в открытое море, а на освободившееся место снизу выходит холодная. Так устроено летнее похолодание воды у Сочи, которое отдыхающие принимают за пришедшее течение.

Что намерили дрифтеры

Дрифтер — это буй с подводным парусом на тросе. Парус держит его вместе с водой на заданной глубине, а ветер почти не цепляет. Буй раз в несколько часов отправляет координаты на спутник, и на карте остаётся след той воды, в которой он плывёт.

В работе Джиганшина, Полонского и Толстошеева (Морской гидрофизический журнал, 2013) разобраны треки дрифтеров из 88 запущенных в Чёрное море за 2001–2007 годы. Вывод про инерционные колебания простой: они наблюдаются практически повсеместно в поле Основного Черноморского течения. Орбитальная скорость — около 0,1 м/с, радиус петли — 1–1,5 километра, теоретический период — примерно 17 часов. На карте это выглядит как пружинка: течение несёт буй вдоль берега, а поверх несущего потока он всё время закладывает маленькие кольца по часовой стрелке.

Проверим сами. Десять сантиметров в секунду за 17,4 часа — это около шести километров пути по окружности, то есть круг радиусом примерно километр. Сходится.

Буйковая станция в северной части моря писала течения около ста суток на пяти горизонтах, от 35 до 350 метров. Результат опубликован в 2021 году: не меньше 70 % энергии всех внутренних колебаний в этом диапазоне сосредоточено около инерционной частоты. Проще говоря, основная часть «дрожи» моря под поверхностью — это как раз семнадцатичасовое кружение.

Есть и данные совсем рядом с нами. Группа Института космических исследований РАН запускала мини-дрифтеры с маломерных судов у северо-восточного берега весной 2019 года, синхронно со спутниковой съёмкой. Кроме прочего, они нашли у мыса Видный «мёртвую зону», где прибрежная циркуляция сильно ослаблена. И отдельно отметили, что по трекам мини-дрифтеров удаётся увидеть проявления инерционных колебаний, пространственные характеристики которых другими способами почти не получить.

С палубы кольца не видно

Если катер в штиль лежит в дрейфе, а вода под ним идёт по инерционному кругу, катер идёт вместе с ней. Пловец рядом — тоже. Относительно друг друга они стоят на месте, и никакой струи вдоль борта нет. Поворачивает сразу большой кусок моря, километры в поперечнике, и все, кто в нём, едут вместе.

За час купальной стоянки такая вода проходит около 360 метров по дуге. Это заметно, только если смотреть на неподвижное: на берег, на створ двух огней, на трек GPS. На экране картплоттера след стоящей в штиль лодки в такой день ползёт не по прямой, а плавной кривой. Правда, различить в нём именно инерционную составляющую без приборов нельзя: у берега почти всегда примешан ветровой снос и прибрежные вихри, и они на прогулочной дистанции сильнее. Кольцо в чистом виде рисует только буй в открытом море, где его никто не трогает сутками.

Есть и оговорка про глубину. У самого берега, где дно рядом, инерционное движение глушится. Дианский с соавторами в 2019 году, сравнивая модель с дрифтерами, отметили, что в глубоководной части Чёрного моря эти движения значительно интенсивнее, чем на мелководье. У Сочи шельф узкий, и глубина в сотни метров начинается в нескольких километрах от пляжа, так что граница проходит недалеко.

Кто заводит круг и когда он затухает

Сам по себе круг не возникает, его запускает резкая смена ветра. Шторм разогнал верхний слой, потом ветер стих или развернулся — и вода продолжает двигаться по инерции, уже заворачивая. Авторы разбора шторма в восточной части моря, опираясь на дрифтерные данные, пишут, что в штормовые периоды инерционные колебания по энергии не уступают мезомасштабным вихрям.

Гаснет круг медленно. По измерениям той же буйковой станции, выше основного пикноклина, слоя резкого скачка плотности, характерное время затухания — около 55 часов. Больше двух суток после шторма вода может ещё делать петлю за петлёй, каждую чуть меньше предыдущей. Внутри самого пикноклина — около 170 часов, это неделя с лишним.

И энергия при этом не исчезает, а уходит вниз. Доплеровские профили показали, что поворот течения с глубиной идёт по часовой стрелке, а это значит, что волны переносят энергию от поверхности в глубину. Доля инерционных колебаний в общей энергии течений с глубиной растёт: 8,5 % на пятидесяти метрах и 19 % на трёхстах пятидесяти.

Там, внизу, у этого кружения другое лицо. Граница тёплой и холодной воды раскачивается вверх-вниз с тем же ритмом в семнадцать-восемнадцать часов, и с палубы от этого видны только гладкие полосы на воде. Как устроены эти волны, которые идут внутри моря и почти не трогают поверхность, — в статье про внутренние волны: там тот же период, увиденный снизу.