孤粒波（soliton）的研究属流体力学，除浅水孤粒波之外，现已察明，巨大的内部狐粒波的存在，可能破坏海中的石油钻探设备。那么什么叫内部狐粒波呢？下面谈谈它的性质及影响。

孤粒波（soliton）研究的开展

在不同的疏散介质中，波的速度因波长不同，会产生与其疏性散有适当补偿的非线性效应，形成不发生形变且稳定传播的脉冲状波，称作孤粒波（soliton），它被认为是许多物理系统中传递能量的重要因素。

孤粒波的概念，是在描述浅水中的波，等离子体中的粒子波、非线性晶格表面的长波等的Korteweg. de Vries（KdV）方程式的数值计算中，由Zabusky和Kruskal首次引用的。他们认为这种波既是极其稳定的孤立波（solitary Wuve），又像粒子（-ton，）那样振动，所以给予孤粒波（Soliton）的名称。以后，普林斯顿等离子体理论组的Gardner等用严密的解析方法解出了KdV方程的初始解，并发现了反散射法，从此孤粒波的研究日益拓宽。现在，不仅是流体力学、等离子体物理，点阵力学，而且遍及物性物理、场论、广义相对论、生物物理等自然科学领域，足见认识孤粒波的重要性。

作为先驱者的是J. Scott Russell，几年前刚举行过他逝世百年的纪念会。下面，摘录他发表的最早观察孤立波的报告：“余命二驹拖一轻舟，沿狭渠速驰。舟骤停，渠水突涌，激舟前波起，后迅离舟前去，状如孤丘，圆且平滑，形不变，速亦不减。余策马随后追之，观其波、时速约有8、9哩，波长约30呎，高有呎许，后稍弱。追及1、2哩后，因渠曲，波方渐逝。时公元1834年秋月，斯余始见之奇观也。”

内部孤粒波的发现

Scott Russell观察的那种孤立波，不仅在水面出现，在水中也存在，像本文题目那样，可能毁坏海洋石油钻探设备的巨大的孤粒波，在海水中也多次发现，这种孤粒波就称为内部孤粒波。

所谓内部波，存在于像海水和淡水那样因密度差异而分成不同层次的流体中，在其交界面上生成的波。与表面波相比，内部波的周期更长。最近在玩具店中，有种能看见类似内部波的小玩意，在透明容器中盛有两种颜色不同，密度也不同的液体，使容器振动，在下层密度大的液体表面就会出现孤粒波。看看这样的玩具，也是了解内部波的好办法。

内部波的存在，自古以来就被常在河流入海口附近航行的船员们所认识。船的螺旋桨如果恰在容易产生内部波的水层时，会因内部波的存在而消耗推进力，船因而难以快速行进，这种现象通常被称为“死水”。在日本的明海附近也有被有经验的水手称为“引幽灵”的地方。对淡水和海水交界面能产生内部波的科学观察，始于十九世纪末，是由挪威探险家Nansen首次进行的。他乘弗拉姆号船在北冰洋附近的巴伦支海探险，当船通过这样的水层时，变得很吃力且止步不前。Ekman接到他的报告后，提出这样的解释：船的通过将一部分动能传给水，使水产生内部波，从而使自身的动能减少。现在已经知道，这种类似的造波阻力在表面波和大气中飞行的场合都有存在。

海水和淡水的交界面上产生的内部波，如果是发生在比较浅的地方，它的振幅也不会很大。但是在海洋里，由于表层水比较温暖，在水深100 m以下，也存在密度急剧变化的水层，这一层称为密度跃变层（pycnocline），同样，水温发生急剧变化的场合就称为温度跃变层（thermocline）。在这样的地方能够产生振幅达60 m以上的内部孤粒波。

不仅是内部波本身，还有与其相伴而生的“激潮（tiderip）”现象。和观察孤立波一样，最早的观察，也可追溯到I860年以前，最初的报告是由Maury提出的。

“船过尼科巴群岛，驶入马六甲海峡时，常遇激荡之细浪，再适逢西南季风、尤为显著，令初见者惊叹不已。常人之见，谓强海流所致。然细观之，既无显见之海流，更无航向及行程之偏差，实令人迷惑不解。况激浪滚滚而至时总风和日丽，天清气朗。夜晚经此，先闻潺潺之声，继则哗然，待浪击船舷，震耳欲聋。偶尔飞泼甲板之上，岂孤帆轻舟所能耐哉。”

对这种激潮现象，现在可解释为海水中存在的内部孤粒波和表面波发生强烈的相互作用，从而在海面激起剧烈的细浪。

1965年Perry和Schimke写出了关于内部孤粒波以及由内部波产生的激潮的观测拫舎。现摘录于下：“在苏门答腊岛以北的安达曼海中，可以清楚地看到南北长约30 km，宽度约200 m至800 m的白色波浪区，这样的浪区至少可有5个，间隔约为3200 m，这些波浪区的波浪高约30 cm至60 cm，但波长很短，波峰很尖，且朝向不同的方向。其他海区则相当平静，与该带状浪区的状态极不相同。当时刮着每秒4 m的偏西北风，海面水温为更加附近无任何船只航行，因而显得特别宁静”。他们利用测量仪器，在通过激潮区时测量了水深250 m范围内的海水温度分布，辨明了伴随激潮的内部波的存在，其振幅至少可达80 m。

内部孤粒波的影响和性质

由于人造卫星的出现，大范围的海面摄影成为可能。1980年8月12日纽约时报刊出《隐藏在海洋下面的巨大波浪产生的表面波纹》，对内部孤粒波的存在作了长篇报道。该报道主要以两次观察结果为素材，一次是西雅图太平洋海洋实验设备部的Appel为首在苏禄海进行的观测，另一次是埃克森石油公司邀请Osborne和Burch在安达曼海进行的观测。他们都在人造卫星拍摄的海面照片中看到的大片激潮区，利用仪器测定了海水中的温度，并写出了关于内部孤粒波的报告。对内部孤粒波造成的捉摸不定的影响；文章提出下述三点：

1. 对潜艇等海水内航行器的影响，

2. 对海底油田的海中钻探作业的影响，

3. 对鱼类等海洋生物的生态环境的影响。

潜艇恰好在有内部孤粒波存在的场所航行时，会被这种波迅速携带到深处，以至陷入难以自拔的境地。典型的事故是1963年美国核动力潜艇“长尾鲨鱼号”，在美国东部缅因湾海中失踪。Appel指出，在缅因湾完全具备产生这种内部波的条件，估计“长尾鲨鱼号”就是被这种内部波迅速拽入深海的。

埃克森石油公司，为在安达曼海中开采石油，认为在钻探现场可能存在内部波，因而进行了详细的观测，其目的不仅在于观测内部波，而在于调查对于钻桩长达1 km以上的钻井船有怎样的影响，特别是为在海底钻孔，接长的钻杆会受到这些波怎样的影响呢？这是大家所关心的。

Osborne等在钻探现场设置系留仪，用以测定约50 m水面的水流矢量和深达250 m范围的水温，而对于水面200 m及深达1000 m的范围，则采用伺服电机流速计测定。整个测量工作用了四天时间，测得水温在60 m内基本不变（约为28℃），以后急剧降低，至200 m深时下降为12°C，更深则下降缓慢，到水深1000 m时降到约8℃。通过对水深164 m处温度的调查，发现水温会突然升高5.2℃，并可持续保持这种高温状态。根据这些结果、对比前述观测点的情况，判断内部孤粒波的振幅可达60 m，并有可能接连出现几个振幅稍小的孤粒波。还观测到这种孤粒波的出现平均每12小时又26分钟一次，正和一天两次海潮的周期一致。钻井船由8条锚链固定，在内部波通过时，位置仍可移动约30 m或转动90°。这些事实说明，内部孤粒波对海洋石油钻探设备的影响之大，这也正是Osborne等人的结论。

最近由Sandstorm和Elliott在新斯科舍（加）南部的斯科舍大陆架进行。利用声波在密度相同的水中直线行进，在密度不同的水层产生折射的性质可测出内部波的形状。

大陆架是生物很活跃的地方，有很多从大陆方面来的营养物质。这些营养物是怎样被送向大陆架的呢？在斯科舍大陆架，水接近岸边的永平运动可根据风和海流来说明。那在垂直方向又是怎样的呢？Sandstorm等人的观测证明，内部孤粒波恰好发生在这一带，就是它起了在垂直方向搬运营养物质的作用，从而把很多营养物质从大陆架边缘运到大陆架和大洋中。

那么，内部孤粒波到底是怎样形成的呢？对于这个问题Maxworthy想出如下的模型。在海中有海山或者海岭，分层的流体在潮流作用下运动到有山的地方时，会变为被称作李波的停滞波。在大气中，当温湿的风通过山岳地带时、在山顶会覆盖上斗笠状云朵，同时在下风侧会出现不动的倒吊状云，这样的云就称为风下波或者李波。可想而知，这种类似现象也必定会在海中发生。这种李波会逐渐变大，有时能接连出现一个或者几个波。波的振幅若变得很大的话；在二层交界面上，会产生很大的剪切力，流体开始混合以至变成接近中间密度。如果潮流的速度减小，这一次李波就会和上游传下来的那些波形成孤粒波列。Maxworthy所做的实验，证实了这种模型的正确性。

过去在安达曼海的观测证实，内部孤粒波通过的时间间隔正和一天两次海潮的周期一致。这次Maxworthy的观测又发现，当潮流从安达曼海向西涌去时，李波出现在海山的西侧，下一次则变成潮流向东和李波在东侧。另外，从Osborne等观测的内部孤粒波的大小，可判断出最初观测孤粒波的场所，在苏门答腊岛北面的尼科巴群岛附近。

[科学（日），1986年6月]