文章來自「科學大院」公眾號
作者: 郭亮 陳上通
在平靜海面上正常行駛的輪船，突然神秘減速並停滯不前。發動機和輪機都正常工作，但是船體只能原地打轉，是什麼神秘的力量在吸引著輪船？這一切的背後， 是海神波塞冬的神力嗎？
是不是聽起來有點像《走進科學》的套路？然而，這卻是發生在北極附近的真實事件。近日，科學家對這一事件進行了分析，將結果發表在國際知名期刊PNAS上【1】。讓我們跟著大院er，一起走近科學，探尋真相。
（圖片來源:veer）
探險家的離奇經歷——是海怪嗎？
1893年，挪威探險家弗裡德約夫·南森為了探索北極陸地的奧秘，駕駛著「弗拉姆」號考察船在北冰洋航行，他的目標是北極點。當天天氣非常好，風平浪靜，海面上只有「弗拉姆」號留下的一串串漣漪。突然，他的船毫無預兆地減速了，幾乎無法操縱，更別說恢復到正常的行駛速度了，儘管螺旋槳還在全力地轉動著。船員們沒有偷懶，船也沒有撞上海面浮冰或冰山，更沒有遭遇逆風，船就這樣離奇地減速了。【2】
弗裡德約夫·南森在北極航行時遭遇「死水效應」（圖片來源：維基百科）
更離奇的是，南森還發現，他的船好像被一股神秘的力量操控著，這股力量有時讓船無法轉向，有時讓船自動轉彎，在海面上劃出一個大圓圈。許多船員對此感到十分恐懼，認為他們的探險行動驚動了北極地區的海怪。好在這種力量好像並不想讓考察隊永遠地留在冰冷的海面，弗拉姆號還是能夠克服這股神秘的力量緩慢前行。艱難航行了一段時間，考察船逃離了那片怪異的海域，船隻的航行速度恢復了正常。
傳說中的海怪（圖片來源：veer）
但是那股神秘的力量不止一次地造訪南森的考察船，有時在這片海域，有時在那片海域，反正只要在北極地區附近，就總會遇到這種怪事。南森既是一位經驗豐富的北極探險家，也是一位科學家，還被授予過諾貝爾和平獎，但他仍難以解釋這個怪現象，於是他給這種現象起了一個名字，叫做「死水效應」。
揭開「死水效應」的神秘面紗
隨著科學的發展，困惑南森的「死水效應」也被法國研究人員揭開了它的神秘面紗：當一片水域具有不同鹽度的二層或更多層的水層時，就會出現這種「死水效應」。北極冰川基本都是淡水，當它們融化的時候，就會與海水摻混。由於海水密度大，所以冰川在融化後，會一定時間內在海水上方形成一層相對較薄的淡水層，而正是這個淡水和海水的分界面出現，導致了船隻航行速度的減慢。所以，操控「弗拉姆」號考察船的不是海怪，而是由於密度不同而分層的海水。
不同鹽分濃度的海水在特定時間段內會分層
小船被神秘力量「吸引」住了（圖片來源：《機器頭條新聞》）
研究人員探究「死水效應」的實驗設備（圖片來源：CNRS）
裡昂大學的物理學家瑟裡·道克斯團隊發現，看不見的水層界面上會產生波浪，這個波浪會引起水體震蕩，從而影響船體行駛。他們把一艘玩具船放在一個3米寬的水池中，通過光纜以恆力來拉動它前行。水池中是兩層不同鹽度的水，並用染料給這兩層鹽水打上標識。當玩具船行駛時，會在兩層鹽水的界面上產生波浪，然後船隻突然就減速了，而此時水池中的水表面卻是異常平靜。波浪只發生在分層鹽水的界面上，這種震蕩產生了向下的低壓，阻止船隻移動。
（視頻詳見「科學大院」公眾號）上述很好地展示了艦船在兩層不同密度的海水中行進時，兩層海水液面間會產生的波紋。科學家發現由於船隻自身產生的波浪，使得濃度較高的下層鹽水被牽引到上層來，填充波浪所形成的旋渦，因此在兩層水的界面會產生振動。當船隻前行時，振動不斷加大，進而阻礙了船隻的行進。之前有關「死水效應」的研究考慮了兩層水，但真正的海洋會因海水鹽度的不同分成多層。科學家們在三層海水中進行了實驗，「死水效應」依然出現。
在艦船航行時，有一個專有名詞叫作「興波阻力」，他指的是由於船具有重力，在前行時船頭會對水產生一個壓力，把水劈開進而前進，於是就激起了一組隨船前進的波浪；同時，船尾在前進時，水中留出了一個低壓區，形成了一組由船尾引起的波浪，這兩種波浪的產生就是興波阻力。對於高速船舶來說，興波阻力可佔總阻力的一半左右。
在近期的研究工作中，科研人員進一步研究了小船在多層海水中的興波阻力，他們發現，在急流條件下（Fr>1）興波阻力較小，而在緩流條件下（Fr科學家記錄並分析了玩具船實驗得到的各種數據（如下圖），黑色虛線代表圖片上方小船的位置，藍色實線代表監測到的界面變化，綠色虛線代表液體內部的Nansen興波阻力，可以觀察發現它的波峰與船體的位置相一致，紅色虛線代表Ekman興波阻力，它出現波峰的位置要比船體運動的位置靠前，而且它還是一個線性的內部分散低壓區。船身下方每個起伏的波都對應著一個位移的起伏，船舶與該波狀低壓區的相互作用導致了船舶速度的振蕩，就像汽車行駛在崎嶇不平的道路上，船速自然就減慢了。[1]
實際上，除了海水中含鹽量的不同導致分層會對航行造成影響，溫度差異形成的密度流也會對船隻航行產生顯著影響。各地海水的溫度不同，導致蒸發量不一致，就會引起海水密度的差異，同時還會激發海水流動。比如地中海蒸發旺盛，水面低，而相鄰大西洋水面較高，於是大西洋表層海水經直布羅陀海峽流入地中海，地中海海水由海峽底層流入大西洋。有了密度流的作用，船舶進入地中海就會更「省力」一些。相反的，逆密度流而上，船舶航行就會很「費力」，甚至有可能被困住哦。
（圖片來源：「海寧中學地理組」公眾號）
我國科研人員還研究了液池內單層及多層流體中由溫度差異引起的熱浮力-毛細對流，比如在二層流對流系統中（如下圖），中間黑線代表兩種液體的交界面，帶箭頭的圓圈代表對流渦流動方向，這代表了在不同的溫度條件下可能存在的兩種對流現象，這對洋流流動研究也很有借鑑意義。【3】
二層流對流系統中可能的兩種對流方式[3]
「死水效應」也有大作用
「死水效應」的發現對艦船設計及安全航行具有重大指導意義。科學家們解耦出了Nansen興波阻力和Ekman興波阻力，而且發現Ekman興波振蕩狀態只是暫時的，只要保持恆定動力一定時間後，速度振蕩的幅度就會開始減小直至最終消失，也就是說，船舶最終可以逃出「死水效應」。此外，它對研究受汙染的海洋動力學也很有幫助，比如汙染會達到什麼樣的程度，還有雜質會下沉到多深的海水中等等。【4】
航行在大海上的船舶（圖片來源:veer）
參考文獻：
[1] Johan Fourdrinoya,Julien Dambrine,Madalina Petcu et. The dual nature of the dead-water phenomenology:Nansen versus Ekman wave-making drags. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2020.
[2] 胡木. 揭開神秘的「死水效應」. 發明與創新. 2008年第11期.
[3] 劉秋生，Bernard Roux，胡文瑞. 有關多層流體對流的研究. 力學進展. 第27卷第4期.
[4] 於煒. 層化海洋上層混合參數化研究. 中國科學院大學博士學位論文. 2018年.
作者單位：中國科學院力學研究所
推薦單位：中國造船工程學會
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