Що таке внутрішні хвилі і як їх побачити – пояснює дослідниця

Дослідниця внутрішніх хвиль Катерина Терлецька розповідає про міф Лохнеського чудовиська, "мертву воду" і чому прісна вода у водоймі вище, ніж солона.

Про внутрішні хвилі та легенди

Я вивчаю динаміку внутрішніх хвиль великих амплітуд. На нашому жаргоні моя професія називається "модельєр". Тільки я займаюсь не створенням вбрання, а численним моделюванням стратифікованих течій.

Вони виникають, коли у рідині є шари з різною густиною. Так відбувається у всіх природних водоймах.

Наприклад, якщо річка впадає в море, прісну воду виноситиме на поверхню, а знизу вода буде солоною, оскільки має більшу густину.

В озерах верхній шар прогрівається, а нижній – ні. Знову – стратифікація.

На межі цих середовищ виникають внутрішні хвилі, які не побачиш очима.

Внутрішні хвилі відкрив Бенджамін Франклін.

Дорогою з Мадейри корабель почало хитати, і Франклін побачив ці хвилі в італійській лампі, що стояла на столі. Вона була наполовину залита олією, наполовину – водою.

Він це задокументував. Це стало першим задокументованим спостереженням внутрішніх хвиль.

Внутрішні хвилі можна побачти у пляшці, яка наполовину залита олією, наполовину – водою

Впродовж усієї історії моряки зіштовхувались з явищем "мертвої води".

Корабель ні з того, ні з сього зупинявся у морі. Причиною були внутрішні хвилі, які не давали кораблю рухатись далі.

Тисячі років моряки звинувачували морських чудовиськ, а 100 років тому Нансен під час своєї експедиції на шхуні "Фрам" показав, що річ у внутрішніх хвилях.

Він вивчав феномен "мертвої води". Коли "Фрам" рухався біля фіордів (довга, вузька морська затока, походить від затоплення морем долини колишнього льодовика – УП), у яких тала прісна вода була над солоною, завдяки чому утворювались внутрішні хвилі.

Малюнок-пояснення Плінія Старшого феномену «мертвої води», (б) - умовна схема потрапляння шхуни "Фрам" в «мертву воду», (в) – профіль найбільшої зафіксованої внутрішньої хвилі

При вивченні динаміки внутрішніх хвиль в озерах ми отримали несподіваний цікавий результат. Ймовірно, він зможе відповісти на загадку озера Лох-Несс.

Більше ста років вченим відомо, що в озері Лох-Несс існують величезні внутрішні хвилі.

Саме озеро розташоване в тектонічному розломі.

Верхній шар влітку прогрівається, а осінню вздовж озера дмуть вітри, переганяючи прісну воду на один край.

Потім вітер припиняється і шар між двома розділами починає хитатися.

Так утворюється внутрішній бор (аномально висока хвиля припливу), наприклад, поверхневий бор припливу рухається вверх річкою Амазонка.

Коли він починає взаємодіяти з краєм озера, виникає внутрішний кумулятивний струмінь.

Більше ста років вченим відомо, що в озері Лох-Несс існують величезні внутрішні хвилі

Такий же кумулятивний струмінь виникає, якщо в домашніх умовах різко опустити лійку у воду – струмінь злетить догори.

Якщо такий струмінь – всередині шару води, то на поверхні може виникнути слід, який схожий на корабельну хвилю.

Для стороннього спостерігача вона виникає ні з того, ні з сього.

А оскільки озеро Лох-Несс розташоване біля Інвернессу, де розташовані старовинні середньовічні замки, гріх не вигадати легенду про чудовисько.

Серед загадкових історій не останнє місце займають історії про раптово затонули підводні човни.

Наприклад, відомий інцидент із загибеллю атомного підводного човна "Трешер" стався поруч з мисом Кейп-Код.

Тут є великі внутрішні хвилі, які за однією з версій стали причиною загибелі судна.

Для стороннього спостерігача хвиля на озері виникає ні з того, ні з сього. (а) – Карта глибин озера Лохнесс (б) – спостереження внутрішнього бору з [11], (в) – чисельне моделювання вільної поверхні

Про вплив внутрішніх хвиль на довкілля

Океан можна умовно розділити на два шари: тоненький поверхневий з температурою близько 22 градусів, і глибинний з температурою 4 градуси.

Океан практично не перемішується. Але якщо це відбувається, то частково завдяки внутрішнім хвилям.

Розуміння кліматичних процесів, які виникають у результаті такого перемішування і вписування цих процесів у глобальні кліматичні моделі – одна з основних задач океанографії.

Одне з найцікавіших морів у світі – Південно-Китайське море. Там народжуються найбільші внутрішні хвилі у світовому океані.

Якщо поверхнева хвиля цунамі біля берега може досягати максимум 30-40 м, то амплітуда внутрішніх хвиль у Південно-Китайському морі досягає 250 м.

Такі хвилі генерує приплив щодня.

Вони впливають на всю довколишню екосистему, оскільки можуть захоплювати планктон у свої ядра и переносити його на величезні відстані, нахиляти бурові платформи і спотворювати сигнали від підводних човнів.

У Південно-Китайському морі народжуються найбільші внутрішні хвилі у світовому океані. Фото BBC World Service

Про процес дослідження

Виникнення та життєвий цикл внутрішніх хвиль – дуже складний процес, який непросто описати.

Ми проводимо комп'ютерне моделювання – своєрідний чисельний експеримент (in silico).

Ділимо процес на простіші підпроцеси, і спочатку вивчаємо, як хвилі зароджуються, як поширюються, взаємодіють з неоднорідностями дна і, нарешті, руйнуються в лабораторних установках.

Потім беремо гідродинамічні рівняння Нав'є-Стокса і за їх допомогою рахуємо.

Такі розрахунки вимагають високих обчислювальних потужностей.

Ми працюємо з корейцями та китайцями, вони дозволяють нам користуватися своїми суперкомп'ютерами, тому що в Україні таких немає.

Процеси в озері Лох-Несс я рахувала на корейському суперкомп'ютері й процес обрахунків тривав 5 діб.

Корейці та китайці дозволяють українцям користуватися своїми суперкомп'ютерами

Про прикладну математику та нестандартні рішення

Я займалась математикою з дитинства. Вчилася в ліцеї "Лідер". Мій вчитель, напевно, був найкращим вчителем міста.

Він вчив нас вирішувати красиві задачі. Це приносило задоволення.

Але я поняття не мала, як це можна застосувати в житті.

Потім вступила на мехмат в Шевченка (механіко-математичний факультет в КНУ ім. Т Шевченка, – УП), і там лишилось це ж питання.

Хоча в механіці математика ставала більш прикладною, але задачі здавалися чисто умоглядними.

Я захистила дисертацію на тему хвиль у твердих тілах.

Це було академічне дослідження, тож питання "Що з цим робити на практиці" залишалося.

Аж допоки я не потрапила в Інститут проблем математичних машин і систем до відділу Володимира Мадерича.

Відділ був заснований після Чорнобильської катастрофи і тут створювали різні чисельні моделі, за допомогою яких моделювали радіоактивне забруднення річок, водойм та атмосфери.

Через це у нас були багато європейських та міжнародних проектів, ми отримували гранти і у відділ потрібні були люди. Тоді я й опинилась тут.

Катерина Терлецька: "Зараз ми переживаємо спад. А після спаду – завжди підйом"

Робота з замовниками показала, що математика дуже прикладна річ.

До тебе приходить людина з певною проблемою, а ти маєш інструменти – математичний апарат та чисельні моделі. І ти починаєш думати, як цими інструментами вирішити конкретне завдання.

Мій науковий керівник Володимир Мадерич навчив мене шукати нестандартні рішення, використовуючи підручні методи.

Ми не можемо переплюнути китайців з їхніми ресурсами: суперкомп'ютерами та величезною кількістю мотивованих працівників. Не переплюнемо їхні наукові колективи, які можуть собі дозволити купувати готові комерційні чисельні моделі і проводити якісні обрахунки, али ми можемо давати яскраві ідеї та нестандартні розв’язки.

Перед нами часто стоять завдання, які здаються неможливими. Ми не маємо готового рішення, але сідаємо і думаємо, що з цього всього можна скласти.

Робота в Інституті навчила мене знаходити нестандартні рішення. Напевно, саме це розуміння по-справжньому закохало мене в науку та прикладну математику.

Про популяризацію науки

Впродовж останніх кількох років я організовую секцію про внутрішні хвилі на щорічній конференції Європейського геофізичного союзу (EGU).

Зараз там 15000 учасників практично з усіх країн світу. Там є увесь спектр наук про Землю. І не тільки.

Це величезне задоволення спілкуватися з найбільш передовими вченими у твоїй сфері.

Ще 10 років тому я й повірити не могла, що у майбутньому буду дружно бесідувати за чашкою кави з людьми, статті яких я знаю напам'ять.

Ти показуєш їм свої дослідження, а вони дають зворотній зв'язок. Це фантастика!

Про молодих вчених

Молодому вченому важливо знайти правильний для себе колектив.

[L]Навіть якщо це буде зібрання найвідоміших і найтитулованіших вчених України – якщо вони не пишуть англомовні статті й не отримують міжнародні проекти, в такий неінтегрований у світову науку колектив краще не лізти. Діла не буде.

Ось ви знайшли колектив, який працює над міжнародним проектом.

В рамках цієї роботи, як правило, буде можливість участі у міжнародних конференціях.

Для молодих вчених завжди передбачені гранти на участь у конференціях та семінарах.

Подавайтесь на різні гранти та підтримку – як внутрішні, так і зарубіжні.

Відмови – теж результат. Це ваш досвід.

Про науку за кордоном

За кордоном активно популяризують науку. З дитинства дітей вчать, що наука – це круто і цікаво.

У Кореї вмикаєш телевізор, а там на одному каналі розповідають, як вирішувати математичні задачі, на другому – як проводити фізичні експерименти.

А на третьому вивчають мови.

Це якісний науково-популярний продукт і такі відео захоплюють. Звісно, дитина захоче піти в школу і це все вивчати.

У нас же вчені поки що "усі в собі". Як правило, ми не розповідаємо людям, чим займаємось.

Я бачу, як люди живуть в Кореї та Китаї.

Ми там сидимо на роботі до 9 вечора і працюємо без вихідних.

Там таке життя, що ти маєш повністю присвятити себе роботі. Ти елемент системи.

З дітьми сидять бабусі та дідусі, або жінка не працює, і її забезпечує чоловік.

Щоб бути успішними в Кореї чи Китаї, треба цілодобово сидіти на роботі добами, без цього ніяк.

На робочому місці у всіх стоять розкладачки.

В Україні я можу сама планувати свій графік і знаходити час на родину, соціальну активність та подорожі.

Тому краще жити в Україні, а туди їздити на короткі відрядження.

Я вірю, що в Україні все налагодиться. Зараз ми переживаємо спад. А після спаду – завжди підйом.

Євгенія Дольська, в рамках проекту INSCIENCE, для УП.Життя

Фотографії Максима Побережного