«Когда я убедился, что нижнее течение существует, — писал Макаров, — захотелось определить точно границу между ним и верхним течением. Когда сделалось очевидным, что граница эта идет по длине Босфора не горизонтально, а с некоторым наклонением к Черному морю, захотелось выяснить этот наклон, наконец, захотелось выяснить подмеченные колебания границы между течениями в зависимости от времени года и дня, от направления ветра и проч. Было интересно определить относительную скорость течения на разных глубинах и распределение воды по удельному весу».
Не удовлетворившись первым успехом, Макаров подробнейшим образом не только разработал теорию обмена вод между двумя морями, то есть дал исчерпывающее объяснение сложному явлению, но и выяснил, как и в каких приблизительно размерах происходит обмен вод между этими морями, исследовал удельный вес и температуру воды в разных слоях верхнего и нижнего течения и, наконец, определил с большой точностью границу между течениями и наклон этой границы вдоль пролива.
Макаров провел это исследование по собственной инициативе, не имея даже опытных помощников. Необходимых приборов у него также не было, и часть приборов он приобрел на свои деньги, а часть изготовил сам в мастерской на пароходе. Для определения скорости течения на глубине он изобрел простой, но достаточно точный прибор, названный им флюктометром50. Все приборы тщательно исследовались и проверялись.
Самым серьезным препятствием в работе Макарова было то, что, по турецким портовым правилам, стоянка судов на фарватере не разрешалась. Макарову же как раз на фарватере и необходимо было производить наблюдения. Чтобы не вызывать подозрения турок, проявлявших особую бдительность в отношении русских кораблей, Макаров производил промеры и наблюдения на разных глубинах или в сумерки или пользуясь прогулками и поездками русского посланника по рейду. Такая работа урывками представляла много неудобств, и Макаров старался использовать малейшую возможность, чтобы работать на самом фарватере. Однажды английский пароход, придя на рейд и не найдя свободной бочки, около которой становятся корабли, отдал якорь у той самой бочки, у которой стоял русский стационер «Тамань». Как командир военного корабля, Макаров мог, конечно, не допустить этого. Но он решил схитрить. Приказав немедленно развести пары, он отошел от англичанина и стал на самой середине фарватера. Турки всполошились, но Макаров заявил, что нет таких правил, чтобы у одной бочки становились два корабля, и поэтому он вынужден был сойти с места. Пока шли переговоры и для «Тамани» подыскивали другой мертвый якорь, прошло пять дней. За это время Макаров произвел, стоя на фарватере, много серийных наблюдений над течениями, температурой и соленостью воды на разных глубинах.
Результатом босфорских исследований Макарова явилась его работа «Об обмене вод Черного и Средиземного морей». Напечатанное в «Записках Академии наук», это исследование было в 1885 году удостоено премии, присуждавшейся Академией наук. Общие выводы всех своих наблюдений Макаров резюмировал в двенадцати положениях, наиболее существенными из которых являются следующие:
1) в Босфоре существуют два течения: верхнее — из Черного моря в Мраморное и нижнее — из Мраморного моря в Черное;
2) нижнее течение происходит от разности удельных весов вод Черного и Мраморного морей. Тяжелая вода Мраморного моря производит на нижние слои большее давление, чем легкая вода Черного моря на тех же глубинах, и это побуждает воду стремиться из области большого давления в область малого;
3) разность удельных весов происходит оттого, что реки и дожди дают Черному морю больше пресной воды, чем испарения из него уносят;
5) верхнее течение происходит от разности уровней двух морей;
12) разность уровней Черного и Мраморного морей должна быть около 1 фута 5 дюймов.