В толще океана формируются слои воды, которые различаются по температуре, плотности и солености. На границе этих слоев возникают внутренние волны. Связано это с тем, что ветер, течения, землетрясения, извержения вулканов и другие внешние силы вызывают смещения верхнего и нижнего слоев относительно друг друга. Граница начинает колебаться, стремясь вернуться в исходное положение под действием сил плавучести. Поскольку перепад плотности между слоями невелик, внутренние волны имеют бо́льшую амплитуду (обычно 5–20 метров, но могут достигать и 150 метров) в сравнении с волнами на поверхности, где перепад плотности между водой и воздухом значителен.
Несмотря на то что скорости внутренних волн малы и составляют несколько десятков сантиметров в секунду, они могут представлять серьезную угрозу гидротехническим сооружениям, подводным газо- и нефтепроводам, а также приводить к размыву дна. Гибель как минимум трех подводных лодок связывают с действием внутренних волн: двух американских атомных — Thresher в 1963 году и Scorpion в 1968 году и индонезийской дизельной Nanggala-402 в 2021 году.
«При извержении подводных вулканов и землетрясениях основную опасность представляют поверхностные волны цунами, которые могут иметь амплитуду около 30 метров на побережье и быть очень разрушительными. Внутренние волны обычно при этом не рассматриваются. Однако в статье китайских коллег впервые сообщалось о наблюдении внутренних волн при извержении вулкана в архипелаге Тонга в 2022 году. Именно этим был вызван наш интерес к изучению их характеристик», – рассказывает соавтор исследования, ведущий научный сотрудник Международной лаборатории динамических систем и приложений НИУ ВШЭ в Нижнем Новгороде Екатерина Диденкулова.
В качестве очага волн цунами была выбрана параболическая каверна Ле Меоте — модель, которую активно используют при расчетах поверхностных волн цунами при взрывах в воде, извержениях подводных вулканов и падениях метеорита в воду. Учитывалось, что кривые, соединяющие точки с одинаковыми значениями плотности морской воды (изопикны), над подводным вулканом изгибаются так же, как водная поверхность.
Расчеты показали, что внутренние волны при извержении подводного вулкана образуют частотно-модулированные группы, причем первая группа имеет наибольшую амплитуду. Их характеристики зависят от соотношения толщин слоев воды, радиуса очага и расстояния до него. Даже на относительно небольших расстояниях от очага амплитуды волн меняются медленно, что позволяет определять очаг цунами по внутренним волнам с помощью дистанционных средств регистрации морской поверхности. Таким образом можно получить дополнительную информацию о цунами и уменьшить ущерб от стихийного бедствия.
«Амплитуды волн в дальней зоне составляют проценты от высоты в очаге, но в переводе на реальные цифры могут соответствовать нескольким метрам. Так, очаг извержения вулкана Кракатау в 1883 году имел высоту 200 метров, а радиус 3 километра. Из наших расчетов следует, что высота внутренней волны на расстоянии 300 километров может быть порядка 10 метров и оставаться опасной», – поясняет главный научный сотрудник Международной лаборатории динамических систем и приложений НИУ ВШЭ в Нижнем Новгороде Ефим Пелиновский.
