平靜海面上輪船忽然被困，是波塞冬的神力還是死水在搞鬼？

作者：郭亮 陳上通（中國科學(xué)院力學(xué)研究所）

推薦單位：中國造船工程學(xué)會

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在平靜海面上正常行駛的輪船，突然神秘減速并停滯不前。發(fā)動機和輪機都正常工作，但是船體只能原地打轉(zhuǎn)，是什么神秘的力量在吸引著輪船？這一切的背后， 是海神波塞冬的神力嗎？

是不是聽起來有點像《走進科學(xué)》的套路？然而，這卻是發(fā)生在北極附近的真實事件。近日，科學(xué)家對這一事件進行了分析，將結(jié)果發(fā)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(xué)，探尋真相。

（圖片來源:veer）

探險家的離奇經(jīng)歷——是海怪嗎？

1893年，挪威探險家弗里德約夫·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(biāo)是北極點。當(dāng)天天氣非常好，風(fēng)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(yù)兆地減速了，幾乎無法操縱，更別說恢復(fù)到正常的行駛速度了，盡管螺旋槳還在全力地轉(zhuǎn)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(fēng)，船就這樣離奇地減速了?！?】

弗里德約夫·南森在北極航行時遭遇“死水效應(yīng)”（圖片來源：維基百科）

更離奇的是，南森還發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)向，有時讓船自動轉(zhuǎn)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(rèn)為他們的探險行動驚動了北極地區(qū)的海怪。好在這種力量好像并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，船只的航行速度恢復(fù)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(qū)附近，就總會遇到這種怪事。南森既是一位經(jīng)驗豐富的北極探險家，也是一位科學(xué)家，還被授予過諾貝爾和平獎，但他仍難以解釋這個怪現(xiàn)象，于是他給這種現(xiàn)象起了一個名字，叫做“死水效應(yīng)”。

揭開“死水效應(yīng)”的神秘面紗

隨著科學(xué)的發(fā)展，困惑南森的“死水效應(yīng)”也被法國研究人員揭開了它的神秘面紗：當(dāng)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(xiàn)這種“死水效應(yīng)”。北極冰川基本都是淡水，當(dāng)它們?nèi)诨臅r候，就會與海水摻混。由于海水密度大，所以冰川在融化后，會一定時間內(nèi)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(xiàn)，導(dǎo)致了船只航行速度的減慢。所以，操控“弗拉姆”號考察船的不是海怪，而是由于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(nèi)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(yīng)”的實驗設(shè)備（圖片來源：CNRS）

里昂大學(xué)的物理學(xué)家瑟里·道克斯團隊發(fā)現(xiàn)，看不見的水層界面上會產(chǎn)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，通過光纜以恒力來拉動它前行。水池中是兩層不同鹽度的水，并用染料給這兩層鹽水打上標(biāo)識。當(dāng)玩具船行駛時，會在兩層鹽水的界面上產(chǎn)生波浪，然后船只突然就減速了，而此時水池中的水表面卻是異常平靜。波浪只發(fā)生在分層鹽水的界面上，這種震蕩產(chǎn)生了向下的低壓，阻止船只移動。

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(chǎn)生的波紋?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)由于船只自身產(chǎn)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(chǎn)生振動。當(dāng)船只前行時，振動不斷加大，進而阻礙了船只的行進。之前有關(guān)“死水效應(yīng)”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?？茖W(xué)家們在三層海水中進行了實驗，“死水效應(yīng)”依然出現(xiàn)。

在艦船航行時，有一個專有名詞叫作“興波阻力”，他指的是由于船具有重力，在前行時船頭會對水產(chǎn)生一個壓力，把水劈開進而前進，于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(qū)，形成了一組由船尾引起的波浪，這兩種波浪的產(chǎn)生就是興波阻力。對于高速船舶來說，興波阻力可占總阻力的一半左右。

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(fā)現(xiàn)，在急流條件下（Fr>1）興波阻力較小，而在緩流條件下（Fr