Подводные волны океана: как искусственный интеллект помог увидеть скрытый под водой мир

Мы привыкли видеть океан через его поверхность: волны, штормы, приливы, прибой. Но одна из самых важных форм движения океана долго оставалась незаметной. Представьте себе гигантские волны высотой с небоскреб — 100–200 метров, двигающиеся глубоко под водой, а на поверхности их почти не видно. Это так называемые внутренние волны. Их длина может достигать сотен километров. Парадоксально, но чем больше внутренняя волна, тем сложнее ее заметить. Судно может пройти над ней, не видя почти ничего. Только иногда ее присутствие выдают слабые полосы на поверхности воды или непривычное поведение течений.

Толща воды не всегда однородна, иногда она состоит из разных слоев, как пирог: сверху более теплая и легкая, а глубже — холодная, соленая и более густая (это так называемая стратифицированная вода). Именно на границе этих слоев, под поверхностью, и возникают внутренние волны. Они могут замедлять корабли, изменять течения, угрожать подводным кабелям, трубопроводам и другой подводной инфраструктуре, перемешивать водные массы и влиять на климат.

На протяжении веков люди видели только последствия «хулиганства» этих волн — так родились сказки и истории о «мертвой воде», загадочных водоворотах, странном поведении моря. Сегодня же в исследовании внутренних волн происходит тихая революция: спутниковые радары, численное моделирование и искусственный интеллект впервые позволяют увидеть эти скрытые движения как глобальное явление. Мы словно бы открываем океан во второй раз, только уже не с поверхности, а изнутри.

Когда океан говорил на языке мифов

Прежде чем люди научились объяснять океан уравнениями, они объясняли его мифами. Почему иногда судно вдруг замедляется на спокойной воде? Почему в узких проливах возникают опасные водовороты? Почему озеро может вдруг «ожить», порождая странные волны и загадочные тени? В разных культурах ответы были похожими: действуют невидимые силы. Так рождались легенды о морских чудовищах, проклятых водах, гигантских воронках и существах, способных останавливать корабли. Сегодня мы знаем, что по крайней мере часть этих историй могла иметь вполне реальную физическую основу, скрытые движения стратифицированной воды, которые мы называем внутренними волнами.

Битва при Акции и загадочная рыба ремора

Одну из самых интересных таких загадок история сохранила для нас в рассказах о битве при Акции 2 сентября 31 года до н.э. Именно возле выхода из Амбракийского залива решалась судьба античного мира. С одной стороны стояли Марк Антоний и Клеопатра, с другой — Октавиан, будущий император Август, и его талантливый флотоводец Марк Агриппа. Флот Антония был больше и тяжелее. Его мощные корабли должны были прорвать блокаду и обеспечить выход в открытое море. Но античные авторы описывают странное обстоятельство: в начале битвы корабли Антония продолжительное время не могли развить скорость, словно какая-то невидимая сила удерживала их на месте. Для людей античности это требовало объяснений. Плиний Старший вспоминает легенду о рыбе реморе — небольшой рыбе, которая якобы могла присосаться к кораблю и остановить его движение.

Сегодня некоторые исследователи предполагают, что за этой легендой могло стоять реальное физическое явление — так называемая мертвая вода. В стратифицированном море корабль может расходовать значительную часть энергии не на движение вперед, а на генерацию внутренних волн под поверхностью. Гребцы работают, судно двигается, но его скорость неожиданно падает, словно море само оказывает сопротивление (описание и демонстрация этого явления тут).

Конечно, мы не можем доказать, что именно этот эффект определил ход битвы при Акции. Но если тяжелые корабли Антония действительно оказались в зоне интенсивных внутренних волн, их главное преимущество — масса и ударная сила — могло превратиться в недостаток. Они потеряли маневренность, а вместе с ней и стратегическую инициативу. Последствия этой битвы определили дальнейшую историю Рима, а вместе с ней — в значительной степени и историю Европы.

Коллаж, созданный автором, с использованием

https://knowablemagazine.org/content/article/society/2023/pliny-elder-first-encyclopedia 

https://www.mediastorehouse.de/framed-prints/mary-evans-prints-online/romer-oder-kletternasen-14227989.html

Сцилла, Харибда и Мессинский пролив

Другой пример — миф о Харибде в гомеровской «Одиссее». Одиссей должен был провести корабль между двумя опасностями: чудовищем Сциллой и Харибдой — гигантским водоворотом, поглощавшим воду и корабли.

Этот сюжет традиционно связывают с Мессинским проливом между Сицилией и Калабрией — одним из самых сложных гидродинамических районов Средиземноморья. Здесь взаимодействуют сильные течения, сложный рельеф дна, резкие перепады глубин и стратифицированные водные массы. Даже сегодня тут наблюдают мощные внутренние волны и сложные вихревые структуры. То, что для Гомера было языком чудовищ, современный океанограф объясняет взаимодействием течений, приливов и внутренних волн.

Загадка озера Лох-Несс

Подобные сюжеты могли возникать и далеко от моря — в озерах. Лох-Несс, известное легендой о Несси, имеет идеальные условия для сложных волновых процессов: оно длинное, глубокое и стратифицированное. В таких водоемах возникают внутренние сейши — стоячие колебания водной толщи, которые могут порождать внутренний бор.

Поверхностные возмущения и оптические эффекты, вызванные внутренними волнами, действительно могли напоминать след от крупного объекта, двигающегося под водой. Это, конечно, не означает, что Несси была внутренней волной: многие свидетельства объясняют ошибками наблюдения, особенностями восприятия или мистификациями. Но реальные физические процессы в стратифицированной воде иногда имеют настолько непривычный вид, что легко становятся основой для легенд.

А потом наступил момент, когда легенда стала наукой. В конце XIX века Фритьоф Нансен в ходе арктической экспедиции зафиксировал явление «мертвой воды», а физик Вальфрид Экман дал ему математическое объяснение: в стратифицированной воде судно тратит энергию на образование подводных волн. Так «мертвая вода» перестала быть морской легендой и стала одним из первых научно описанных проявлений внутренних волн.

Волны-солитоны: долгожители среди волн

Среди внутренних волн особое место занимают солитоны — уединенные волны, способные распространяться на большие расстояния, почти не меняя свою форму. Их история началась в 1834 году, когда шотландский инженер Джон Скотт Рассел наблюдал на канале около Эдинбурга уединенную волну, которая после остановки баржи продолжала двигаться на значительное расстояние, сохраняя свою форму. Только через десятилетие математики Дидерик Кортевег и Густав де Фриз показали, что подобное поведение является следствием удивительного баланса между двумя физическими эффектами — нелинейностью и дисперсией. Именно этот баланс помогает солитонам сохранять свою структуру на больших расстояниях.

В океане внутренние солитоны чаще всего возникают вследствие взаимодействия приливных течений со сложным подводным рельефом. Они могут достигать действительно гигантских размеров. Самые известные из них возникают в Южно-Китайском море, где амплитуда отдельных волн превышает 200 метров, а волновые пакеты (то есть серии волн) распространяются на сотни километров. Они создают течения со скоростью более двух метров в секунду, влияют на подводную инфраструктуру и генерируют интенсивное перемешивание океана.

Сегодня эти волны можно наблюдать даже из космоса. Хотя сами они скрыты под поверхностью, но оставляют характерный след в виде слабых изменений шершавости моря, регистрируемых спутниковыми радарами.

Невидимый двигатель океана

Когда мы говорим о климате Земли, то обычно думаем об атмосфере. Но главным аккумулятором тепла является океан: он поглощает свыше 90% его излишка, связанного с современными климатическими изменениями. Распределение этого тепла зависит не только от крупномасштабной циркуляции, но и от перемешивания водных слоев, одним из ключевых механизмов которого являются внутренние волны.

В стратифицированном океане они возникают под действием ветра и вследствие взаимодействия приливных течений с неровностями дна. Внутренние волны переносят механическую энергию на значительные расстояния и глубины, а разрушаясь, порождают турбулентность. Она обеспечивает обмен теплом, кислородом, питательными веществами и углеродом между слоями океана и ослабляет его стратификацию.

Особенно важны эти процессы в Арктике. Внутренние волны, вызванные приливами, ветром и движением морского льда, усиливают перемешивание и могут переносить тепло из глубины к поверхности, способствуя таянию льда снизу. Поэтому изменения арктического климата зависят не только от атмосферы, но и от скрытой динамики океана подо льдом.

Большое слепое пятно океанографии

История изучения внутренних волн порождает интересный парадокс. Мы знаем о них более ста лет: наблюдали в лабораториях, измеряли в океане, описывали уравнениями и фиксировали со спутников. Но полной картины глобального распространения таких волн до сих пор нет.

Особенно это касается короткопериодных и нелинейных внутренних волн. Полевые исследования сосредоточивались преимущественно в районах, где ожидали самых сильных проявлений: в Южно-Китайском и Андаманском морях, проливах, зонах мощных приливов и сложного подводного рельефа. В некоторых районах Индийского океана, Южной Атлантики и Южного океана практически не проводились систематические наблюдения. Спутниковые наблюдения расширили эту картину, но они регистрируют только поверхностный след волн и зависят от погоды, состояния моря и характеристик сенсора.

Поэтому карта внутренних волн продолжительное время отображала не только их реальное распространение, но и географию наших наблюдений. Хорошо изученные регионы становились все заметнее, в то время как значительные части открытого океана и высоких широт оставались недостаточно исследованными. Мы знали, что внутренние волны распространены почти повсеместно, но значительно меньше знали о том, где, как часто и с какой амплитудой они возникают.

Тихая революция: спутники и искусственный интеллект

Ситуация начала меняться только тогда, когда человечество научилось смотреть на океан из космоса. Обычные спутниковые фотографии не могут показать внутренние волны непосредственно, но могут фиксировать их след на поверхности. Течения, связанные с волной, изменяют распределение мелких поверхностных волн, образуя характерные светлые и темные полосы. Особенно эффективны для таких наблюдений радары с синтезированной апертурой — SAR. В отличие от оптических камер, они могут работать ночью и сквозь облака. Также видимость поверхностного следа внутренней волны зависит от скорости ветра и состояния моря.

После запуска радарного спутника Sentinel-1A в 2014 году начал формироваться большой открытый архив радарных наблюдений с почти глобальным охватом океана. Ежедневно спутники накапливали тысячи новых изображений. Но возникла новая проблема. Данных стало настолько много, что человек физически перестал быть способным их анализировать.

Решением стала автоматическая классификация на основе искусственного интеллекта. Показательным примером является Internal Waves Service — открытая платформа AIR Centre для автоматического выявления, картографирования и архивирования внутренних солитонов по спутниковым SAR-снимкам (https://aircentre.org/pt/services/internal-waves-service).Сервис использует машинное обучение для анализа радарных изображений и создания глобальной базы наблюдений.

Удивительно, но для этого прорыва ученым не нужно было строить новые корабли или запускать дополнительные сенсоры. Мы только научились видеть то, что годами хранилось на серверах. Благодаря ИИ, океанологи впервые смогли исследовать внутренние волны не как отдельные экзотические эпизоды, а как фундаментальную планетарную систему. Оказалось, что под спокойной гладью океан значительно активнее и динамичнее, чем считалось до сих пор.

Невидимые волны, двигающие мир

На протяжении тысячелетий люди стремились познать океан. Они говорили о чудовищах, богах, проклятье и сверхъестественных силах. Сегодня мы уже знаем, что по крайней мере часть этих историй могла родиться из наблюдений за реальными, но скрытыми физическими процессами.

Внутренние волны оказались не экзотическим явлением, а одним из фундаментальных механизмов функционирования океана. Они влияют на климат, морские экосистемы, подводную инфраструктуру, циркуляцию океана и, возможно, даже на отдельные эпизоды человеческой истории. В то же время история внутренних волн оказалась не только историей об океане. Она стала историей о том, как человечестве познает мир.

Именно поэтому современная океанография постепенно становится наукой о данных. Сегодня мир обсуждает создание глобальных систем наблюдений, цифровых двойников океана и новые правила управления океанской информацией. В этих дискуссиях участвует и Украина как государство-член Межправительственной океанографической комиссии ЮНЕСКО, приобщаясь к международному диалогу о развитии океанографических наблюдений, открытом доступе к данным и будущем исследовании Мирового океана.

Ведь в XXI веке борьба ведется уже не только за территории или ресурсы, но и за право понимать океан: собирать данные, создавать модели и прогнозировать будущее.

Самый важный урок истории внутренних волн состоит именно в этом: наибольшие силы, изменяющие мир, часто остаются невидимыми.

И мы действительно открываем океан во второй раз — уже не завоевывая его, а учась его понимать.