Ці ізольовані хвилі заввишки 20 метрів (і більше) раптово виникають у відкритому океані. Вони існують недовго, як правило, менш ніж хвилину, перш ніж зникнути. Через свою висоту і потужність вони становлять неабияку небезпеку для суден.
Щоб глибше зрозуміти, що таке хвилі-вбивці та що їх спричиняє, міжнародна команда науковців під керівництвом Франческо Феделе з Технологічного інституту Джорджії (США) провела унікальне дослідження.
Протягом 18 років учені аналізували дані високочастотних лазерних вимірювань на нафтовій платформі «Екофіск» у центральній частині Північного моря. Зрештою команда дійшла висновку: хвилі-вбивці не є випадковими явищами. Вони формуються відповідно до природних законів моря. І вони не загадкові, а скоріше, досить прості.
Як проходило дослідження?
Науковці вивчили близько 27 500 півгодинних записів хвилювання моря, що були зібрані протягом 2003-2020 років. Ці дані, які вчені реєстрували кожні пів години, фіксували, як високо підіймалася морська поверхня порівняно із середнім рівнем моря. Тут були, зокрема, й відомості про великі шторми.
За звичайних умов хвилі виникають через вітер, що дме над поверхнею моря. Це схоже на те, як ми дмухаємо на філіжанку з кавою, спричиняючи на поверхні незначні брижі. Тим часом у морі, за наявності достатнього часу і простору, ці брижі можуть перетворитися на великі хвилі.
Команда зосередилася на розумінні причин, через які хвилі раптово стають аномальними та значно підносяться над сусідніми хвилями. Одна з теорій заснована на модуляційній нестійкості. Коли хвилі замкнені у вузькому каналі, теорія модуляційної нестійкості добре описує їхній хвилеподібний рух. Однак вона пробуксовує, коли йдеться про реальний океан. У відкритих середовищах, таких як Північне море, хвилі можуть вільно поширюватись у різних напрямках.
Щоб зрозуміти різницю, слід уявити собі натовп глядачів, які залишають стадіон після футбольного матчу. Якщо виходити потрібно довгим вузьким коридором з високими стінами, люди змушені рухатися в одному напрямку. Ті, хто ззаду, намагаються проштовхнутись вперед, а деякі навіть перелазять через інших. Це катастрофічне скупчення нагадує хвилю-вбивцю, спричинену обмеженим простором, розповіло видання Science Alert.
Дослідники можуть генерувати хвилі-вбивці в обмеженому каналі в лабораторних умовах, де вони підкоряються модуляційній нестійкості. Однак без обмеження каналу хвилі-вбивці зазвичай не підкоряються цій теорії та не формуються так само у відкритому морі.
Що таке конструктивна інтерференція?
За допомогою статистичних методів науковці проаналізували дані про стан моря, щоб виявити закономірності, які є основою цих рідкісних подій. Як засвідчили результати, екстремальні хвилі ймовірніше за все формувалися не через модуляційну нестабільність, а внаслідок процесу, що його називають конструктивною інтерференцією.
Конструктивна інтерференція відбувається, коли дві хвилі або більше вишиковуються в одну велику. Цей ефект посилюється природною асиметрією морських хвиль: їхні гребені зазвичай гостріші та крутіші, ніж плоскі улоговини.
Хвилі-вбивці утворюються, коли безліч невеликих хвиль вишиковуються в ряд, а їхні крутіші гребені починають накладатися один на одного, перетворюючись на одну величезну хвилю, яка на короткий час височіє над навколишніми водами.
Ці хвилі-вбивці здіймаються та опускаються менш ніж за хвилину, дотримуючись так званого квазідетермінованого шаблону у просторі та часі. У міру того, як хвиля набирає висоту та енергію, вона не може утриматися вище певної точки неповернення. Верхівка хвилі переливається через край і розпадається на піну, вивільняючи надлишок енергії.
І до чого тут квазідетермінізм хвиль?
Хвилі-вбивці зустрічаються не лише в морі. Теорія океанографа Паоло Боккотті, що зветься квазідетермінізмом хвиль, пояснює, як утворюються хвилі-вбивці і в океані, і в інших хвильових системах.
Команда застосувала теорію Боккотті для виявлення закономірностей у записах хвилювання в Північному морі. Гігантські хвилі, які фіксували ці записи, несли в собі свого роду сигнатуру або відбиток групи хвиль, що допомогли пояснити виникнення блукаючої хвилі.
Учені розповіли, що 24 листопада 2023 року у Північному морі стався потужний шторм. Камера на платформі «Екофіск» зафіксувала хвилю-вбивцю заввишки 17 метрів. Учені застосували теорію квазідетермінізму та модель штучного інтелекту, щоб дослідити походження цієї екстремальної хвилі. Утворилася вона з безлічі менших хвиль, що неодноразово накладалися одна на одну.
Розуміння того, як формуються хвилі-вбивці, може допомогти інженерам і проєктувальникам будувати безпечніші судна та морські платформи, а також краще прогнозувати ризики.
Результати дослідження опублікував журнал Nature Scientific Reports.
Фото: pexels.com
