平静海面上轮船忽然被困，是波塞冬的神力还是死水在搞鬼？

作者：郭亮 陈上通（中国科学院力学研究所）

推荐单位：中国造船工程学会

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在平静海面上正常行驶的轮船，突然神秘减速并停滞不前。发动机和轮机都正常工作，但是船体只能原地打转，是什么神秘的力量在吸引着轮船？这一切的背后， 是海神波塞冬的神力吗？

是不是听起来有点像《走进科学》的套路？然而，这却是发生在北极附近的真实事件。近日，科学家对这一事件进行了分析，将结果发表在国际知名期刊PNAS上【1】。让我们跟着大院er，一起走近科学，探寻真相。

（图片来源:veer）

探险家的离奇经历——是海怪吗？

1893年，挪威探险家弗里德约夫·南森为了探索北极陆地的奥秘，驾驶着“弗拉姆”号考察船在北冰洋航行，他的目标是北极点。当天天气非常好，风平浪静，海面上只有“弗拉姆”号留下的一串串涟漪。突然，他的船毫无预兆地减速了，几乎无法操纵，更别说恢复到正常的行驶速度了，尽管螺旋桨还在全力地转动着。船员们没有偷懒，船也没有撞上海面浮冰或冰山，更没有遭遇逆风，船就这样离奇地减速了。【2】

弗里德约夫·南森在北极航行时遭遇“死水效应”（图片来源：维基百科）

更离奇的是，南森还发现，他的船好像被一股神秘的力量操控着，这股力量有时让船无法转向，有时让船自动转弯，在海面上划出一个大圆圈。许多船员对此感到十分恐惧，认为他们的探险行动惊动了北极地区的海怪。好在这种力量好像并不想让考察队永远地留在冰冷的海面，弗拉姆号还是能够克服这股神秘的力量缓慢前行。艰难航行了一段时间，考察船逃离了那片怪异的海域，船只的航行速度恢复了正常。

传说中的海怪（图片来源：veer）

但是那股神秘的力量不止一次地造访南森的考察船，有时在这片海域，有时在那片海域，反正只要在北极地区附近，就总会遇到这种怪事。南森既是一位经验丰富的北极探险家，也是一位科学家，还被授予过诺贝尔和平奖，但他仍难以解释这个怪现象，于是他给这种现象起了一个名字，叫做“死水效应”。

揭开“死水效应”的神秘面纱

随着科学的发展，困惑南森的“死水效应”也被法国研究人员揭开了它的神秘面纱：当一片水域具有不同盐度的二层或更多层的水层时，就会出现这种“死水效应”。北极冰川基本都是淡水，当它们融化的时候，就会与海水掺混。由于海水密度大，所以冰川在融化后，会一定时间内在海水上方形成一层相对较薄的淡水层，而正是这个淡水和海水的分界面出现，导致了船只航行速度的减慢。所以，操控“弗拉姆”号考察船的不是海怪，而是由于密度不同而分层的海水。

不同盐分浓度的海水在特定时间段内会分层

小船被神秘力量“吸引”住了（图片来源：《机器头条新闻》）

研究人员探究“死水效应”的实验设备（图片来源：CNRS）

里昂大学的物理学家瑟里·道克斯团队发现，看不见的水层界面上会产生波浪，这个波浪会引起水体震荡，从而影响船体行驶。他们把一艘玩具船放在一个3米宽的水池中，通过光缆以恒力来拉动它前行。水池中是两层不同盐度的水，并用染料给这两层盐水打上标识。当玩具船行驶时，会在两层盐水的界面上产生波浪，然后船只突然就减速了，而此时水池中的水表面却是异常平静。波浪只发生在分层盐水的界面上，这种震荡产生了向下的低压，阻止船只移动。

上述很好地展示了舰船在两层不同密度的海水中行进时，两层海水液面间会产生的波纹。科学家发现由于船只自身产生的波浪，使得浓度较高的下层盐水被牵引到上层来，填充波浪所形成的旋涡，因此在两层水的界面会产生振动。当船只前行时，振动不断加大，进而阻碍了船只的行进。之前有关“死水效应”的研究考虑了两层水，但真正的海洋会因海水盐度的不同分成多层。科学家们在三层海水中进行了实验，“死水效应”依然出现。

在舰船航行时，有一个专有名词叫作“兴波阻力”，他指的是由于船具有重力，在前行时船头会对水产生一个压力，把水劈开进而前进，于是就激起了一组随船前进的波浪；同时，船尾在前进时，水中留出了一个低压区，形成了一组由船尾引起的波浪，这两种波浪的产生就是兴波阻力。对于高速船舶来说，兴波阻力可占总阻力的一半左右。

在近期的研究工作中，科研人员进一步研究了小船在多层海水中的兴波阻力，他们发现，在急流条件下（Fr>1）兴波阻力较小，而在缓流条件下（Fr