Волны, которые идут внутри воды: почему с палубы от них видны одни полосы

7 октября 2015 года, траверз мыса Толстый под Геленджиком: приборы пишут цуг волн высотой до шестнадцати метров и длиной 101–131 метр. Рекорд Чёрного моря. Над этим цугом в ту минуту не было ни вала, ни гребня, ни пены — шестнадцатиметровая волна шла внутри воды, по границе слоёв разной плотности, и наружу выдала себя только сменой фактуры поверхности. На радиолокационном снимке того дня полосы всё-таки нашлись, и расстояние между ними совпало с тем, что намерил прибор под водой. Цуг пришёл перед холодным атмосферным фронтом.

Волна в обычном смысле — явление границы воды и воздуха. Но у моря летом есть вторая граница, и она работает так же.

Вторая поверхность, у которой нет берега

Летнее море сложено слоями. Сверху прогретая лёгкая вода, ниже — тяжёлая и холодная, между ними слой скачка, где плотность меняется резко. Эта граница и есть вторая поверхность моря: по ней бегут волны с гребнями, впадинами, длиной и периодом — всё как у обычных, только на другом этаже.

Разница в том, что их возвращает вниз. Обычную волну выпрямляет тяжесть, и работает она в полную силу: воздух легче воды примерно в восемьсот раз. А на внутренней границе тяжесть почти уравновешена — слои отличаются по плотности на доли процента. Возвращающая сила там слабая, и внутренняя волна вырастает огромной и медленной там, где поверхностная давно бы опрокинулась. У Маскаренского хребта в Индийском океане мерили внутренние солитоны с амплитудами до девяноста метров при скорости хода около трёх метров в секунду. Чёрное море скромнее на порядок, но по своим меркам выдаёт много.

Слой скачка гуляет с размахом от пяти до двадцати пяти метров

Самая энергонесущая часть этого поля — инерционные внутренние волны, длиннопериодные. В Чёрном море колебания термоклина идут с периодичностью около семнадцати-восемнадцати часов, и это не прилив: приливов тут практически нет, раскачивает слой скачка погода — сгоны и нагоны, снятие ветрового напряжения, прохождение фронтов.

Размах измерили с неподвижных оснований — с платформы Морского гидрофизического института у Кацивели и с эстакады в Абхазии. С 2011 по 2014 год там ежечасно опускали зонд скорости звука, рядом писала температуру гирлянда термисторов, течения снимал профилометр. Вывод авторов буквально такой: хорошо развитый летом слой скачка совершает с семнадцатичасовой периодичностью вертикальные смещения размахом от пяти до двадцати пяти метров. То есть граница, над которой вы идёте, за неполные сутки успевает подняться и опуститься на высоту пятиэтажного дома. И ничего при этом не происходит.

Минуты вместо часов

Второе семейство — короткопериодные. Периоды от единиц до десятков минут, длины от нескольких десятков до нескольких сотен метров, высоты обычно в несколько метров. Летне-осенние наблюдения 2011–2016 годов на кавказском и крымском шельфах: квазиинерционные колебания термоклина присутствуют почти постоянно, короткопериодные волны — достаточно часто. Чаще всего это волны низшей моды, когда вся толща идёт в одну сторону. Реже попадаются волны второй моды: верхние и нижние слои движутся в противофазе, навстречу друг другу или врозь.

Цифры по абхазскому участку: узкий шельф, уклон дна двадцать три градуса, станция с датчиками на пятидесяти двух метрах. Чаще всего там писались волны с периодом пять–десять минут и высотой метр-два.

Шестнадцать метров, измеренные с моторки

Про то, как эти данные добывались, у нас в журнале умолчать нельзя. С 2003 по 2016 год наблюдения на геленджикском шельфе шли методами, которые сами исследователи называют яхтенной океанологией: компактные приборы, малые суда — моторная лодка и яхта, разрезы поперёк шельфа.

Что на этих разрезах поймали:

• октябрь 2003-го, послештормовой фронт возвращающейся в берег воды — цуг из пяти волн высотой 5–8 метров и длиной 70–100 метров;
• апрель 2016-го, вода открытого моря заходит в прибрежную зону подповерхностной интрузией — её головная часть колеблется с амплитудой 3–5 метров при длине 70–80;
• осень 2009-го, по шельфу идёт компактный антициклонический вихрь диаметром около десяти километров — цуг из восьми-десяти волн высотой 9–13 метров, длины 100–115 метров, а плотностной скачок в тот момент лежал на сорока пяти метрах;
• 7 октября 2015-го — тот самый рекорд, до шестнадцати метров, перед подходом холодного атмосферного фронта. Вертикальные составляющие орбитальных скоростей в нём доходили до двадцати сантиметров в секунду.

Двадцать сантиметров в секунду — вертикально и на глубине, а не у поверхности: проходящий гребень уводит взвесь вниз на несколько метров за минуту.

Почему с палубы видно только полосы

Наружу внутренняя волна выходит не высотой, а рисунком. Её орбитальные течения собирают на поверхности чередующиеся зоны схождения и расхождения, и дальше работают три механизма — иногда все вместе, иногда какой-то один. Динамический: в зоне схождения меняется шероховатость поверхности, рябь то поджимается, то разглаживается. Сликовый: в той же зоне схождения копится плёнка поверхностно-активных веществ, а плёнка гасит капиллярные волны — получается зеркальная лента среди матовой воды. Третий, описанный недавно, — изменение яркости за счёт того, что волна меняет толщину рассеивающего слоя.

С палубы это выглядит просто: по спокойной воде идут параллельные полосы, гладкие чередуются с рябыми, расстояние между ними выдержано, и рисунок медленно ползёт. Про сами длинные гладкие полосы мы писали отдельно: там про плёнку и почему рябь на ней не живёт. Здесь ответ на второй вопрос: кто выстраивает плёнку в ленты, если ветер дует ровно.

Сто двадцать девять пакетов за одно лето

Считать эти пакеты научились со спутников: на снимках высокого разрешения полосы читаются лучше, чем глазом. Ближайшая к нам подробная статистика — у Гераклейского полуострова, крымский берег около Севастополя.

С мая по сентябрь 2017 года там насчитали 129 случаев. По месяцам разброс сильный: в июне — пятьдесят, в июле — сорок два, в августе — девятнадцать, в мае двенадцать, в сентябре всего шесть. Длины волн от 0,05 до 1,14 километра при среднем значении 0,4 километра; самые длинные шли вдоль пятидесятиметровой изобаты к северу от Севастополя. Пакеты в большинстве трапециевидные, расширяются по ходу движения: средняя ширина фронта — 9,6 километра, медианная 7,6, максимальная сорок. Плотностная граница в том районе держалась около пятидесяти метров.

Почти в каждом случае — в 99 из 129 — внутри одного пакета видна дисперсия: волны в хвосте короче, чем в голове.

Море без приливов, а волны есть

В океане внутренние волны заводит прилив, он же задаёт им расписание. У нас прилива нет — и механизмов оказалось не меньше, а больше, просто все нерегулярные.

Основной для крымского шельфа — струя Основного Черноморского течения, которая обтекает кромку шельфа и срывает с неё волны; это подтвердили расчётами. Дальше фронты, возвращающиеся к берегу после шторма; интрузии распреснённой воды; субмезомасштабные вихри; внутренние боры — ступени холодной придонной воды, которые подходят по дну и рывком поднимают весь слой скачка; атмосферные фронты над морем. Последний у Геленджика в 2015 году и подтвердили экспериментом впервые.

Что они двигают, кроме воды

Для рыбы и приборов это события. Когда через точку проходит внутренняя волна высотой больше десяти метров, перепады скорости звука на отдельных горизонтах достигают 20–25 метров в секунду — для гидроакустики много, звуковой канал перестраивается целиком.

Видно это и на бытовом приборе: эхолот рисует не только дно, но и звукорассеивающий слой, а он лежит как раз на термоклине. При подходе бора наблюдатели с платформы зафиксировали, как этот слой резко пошёл вверх, недолго постоял в новом положении и исчез.

Главная же их работа — перемешивание. Ломаясь на склоне, волны тащат вверх холодную воду с питательными веществами и кислородом, а вниз — тепло. Тот же механизм, который потом, в октябре, разбирает летний термоклин целиком, только рассыпанный по всему лету малыми порциями.

Где у нашего берега им просторнее всего

Сравнение трёх типов шельфа дало внятный вывод: наибольшие амплитуды инерционных волн — на узком крутом шельфе, потому что там волну не ограничивает дно. На пологом геленджикском поймали рекорды по коротким волнам, но там вмешался атмосферный фронт.

Шельф у Сочи — двенадцать-тринадцать километров, бровка на 110–130 метрах, и прорезан подводными каньонами, у которых глубина набирается за минуту хода. До абхазской крутизны ему далеко: там сто метров лежат в нескольких сотнях метров от берега. Сопоставим разве что уклон в самих каньонах — двадцать один градус против абхазских двадцати трёх.

Отдельной статистики по нашему участку берега, от Адлера до центра Сочи, я не нашёл. Никто, кажется, не считал её так же подробно, как крымскую: сто двадцать девять пакетов за сезон — это Гераклейский полуостров. И когда с палубы видишь полосы на гладкой воде, сказать, чем именно они рождены — внутренней волной, слабым фронтом или просто сходящимися течениями, — нельзя. Для этого нужен профилометр под килем, а не глаз.