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。让我们跟着大院er，一起走近科学，探寻真相。
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。
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。
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”。
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。
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<1）,兴波阻力可以解耦为Nansen兴波阻力和Ekman兴波阻力，Nansen兴波阻力是运动学阻力，与运动速度有关，而Ekman兴波阻力为动力学阻力，与驱动力有关。
科学家记录并分析了玩具船实验得到的各种数据（如下图），黑色虚线代表图片上方小船的位置，蓝色实线代表监测到的界面变化，绿色虚线代表液体内部的Nansen兴波阻力，可以观察发现它的波峰与船体的位置相一致，红色虚线代表Ekman兴波阻力，它出现波峰的位置要比船体运动的位置靠前，而且它还是一个线性的内部分散低压区。
科学家们绘制的“死水效应”中的波状图[1]
实际上，除了海水中含盐量的不同导致分层会对航行造成影响，温度差异形成的密度流也会对船只航行产生显著影响。各地海水的温度不同，导致蒸发量不一致，就会引起海水密度的差异，同时还会激发海水流动。比如地中海蒸发旺盛，水面低，而相邻大西洋水面较高，于是大西洋表层海水经直布罗陀海峡流入地中海，地中海海水由海峡底层流入大西洋。有了密度流的作用，船舶进入地中海就会更“省力”一些。
相反的，逆密度流而上，船舶航行就会很“费力”，甚至有可能被困住哦。
我国科研人员还研究了液池内单层及多层流体中由温度差异引起的热浮力-毛细对流，比如在二层流对流系统中（如下图），中间黑线代表两种液体的交界面，带箭头的圆圈代表对流涡流动方向，这代表了在不同的温度条件下可能存在的两种对流现象，这对洋流流动研究也很有借鉴意义。
二层流对流系统中可能的两种对流方式[3]
“死水效应”的发现对舰船设计及安全航行具有重大指导意义。科学家们解耦出了Nansen兴波阻力和Ekman兴波阻力，而且发现Ekman兴波振荡状态只是暂时的，只要保持恒定动力一定时间后，速度振荡的幅度就会开始减小直至最终消失，也就是说，船舶最终可以逃出“死水效应”。此外，它对研究受污染的海洋动力学也很有帮助，比如污染会达到什么样的程度，还有杂质会下沉到多深的海水中等等。
参考文献：
[1] Johan Fourdrinoya,Julien Dambrine,Madalina Petcu et. The dual nature of the dead-water phenomenology:Nansen versus Ekman wave-making drags. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2020.
[2] 胡木. 揭开神秘的“死水效应”. 发明与创新. 2008年第11期.
[3] 刘秋生，Bernard Roux，胡文瑞. 有关多层流体对流的研究. 力学进展. 第27卷第4期.
[4] 于炜. 层化海洋上层混合参数化研究. 中国科学院大学博士学位论文. 2018年.