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(jī)和輪機(jī)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(jìn)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(jìn)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。

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)”

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(yuǎn)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。

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

里昂大學(xué)的物理學(xué)家瑟里·道克斯團(tuán)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(jìn)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(jìn)而阻礙了船只的行進(jìn)。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(jìn)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(jìn)而前進(jìn)，于是就激起了一組隨船前進(jìn)的波浪；同時，船尾在前進(jìn)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(jìn)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<1）,興波阻力可以解耦為Nansen興波阻力和Ekman興波阻力，Nansen興波阻力是運動學(xué)阻力，與運動速度有關(guān)，而Ekman興波阻力為動力學(xué)阻力，與驅(qū)動力有關(guān)。**科學(xué)家記錄并分析了玩具船實驗得到的各種數(shù)據(jù)（如下圖），黑色虛線代表圖片上方小船的位置，藍(lán)色實線代表監(jiān)測到的界面變化，綠色虛線代表液體內(nèi)部的Nansen興波阻力，可以觀察發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)部分散低壓區(qū)。船身下方每個起伏的波都對應(yīng)著一個位移的起伏，船舶與該波狀低壓區(qū)的相互作用導(dǎo)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(dǎo)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只航行產(chǎn)生顯著影響。**各地海水的溫度不同，導(dǎo)致蒸發(fā)量不一致，就會引起海水密度的差異，同時還會激發(fā)海水流動。比如地中海蒸發(fā)旺盛，水面低，而相鄰大西洋水面較高，于是大西洋表層海水經(jīng)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(jìn)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。

我國科研人員還研究了液池內(nèi)單層及多層流體中由溫度差異引起的熱浮力-毛細(xì)對流，比如在二層流對流系統(tǒng)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(xiàn)象，這對洋流流動研究也很有借鑒意義?！?】

二層流對流系統(tǒng)中可能的兩種對流方式[3]

“死水效應(yīng)”也有大作用

“死水效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)對艦船設(shè)計及安全航行具有重大指導(dǎo)意義?？茖W(xué)家們解耦出了Nansen興波阻力和Ekman興波阻力，而且發(fā)現(xiàn)Ekman興波振蕩狀態(tài)只是暫時的，只要保持恒定動力一定時間后，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(yīng)”。此外，它對研究受污染的海洋動力學(xué)也很有幫助，比如污染會達(dá)到什么樣的程度，還有雜質(zhì)會下沉到多深的海水中等等?！?】