Подобно русалкам, кракену или хафгуфе, волны-убийцы долгое время считались морским мифом. Их возникновение не всегда сопровождается большим количеством данных, из-за чего кажется, что они появляются из глубин ниоткуда.
Однако одна из таких волн оставила данные для учёных. 1 января 1995 года огромная волна высотой 24 метра обрушилась на нефтяную платформу Draupner в Северном море. Эта так называемая волна Драупнера обрушила на платформу стену ледяной воды, разбросала тяжёлое оборудование по палубе и деформировала стальные перила конструкции.
«Это подтвердило то, что моряки описывали на протяжении веков, — сказал в заявлении Франческо Феделе, инженер, специализирующийся на волновой механике в Технологическом институте Джорджии. — Они всегда говорили об этих волнах, которые появляются внезапно и имеют очень большой размер, но долгое время мы считали, что это просто миф».
Феделе также является соавтором исследования, недавно опубликованного в журнале Scientific Reports, которое наконец-то определяет происхождение этих легендарных морских аномалий.
Погружение в модуляционную нестабильность
Доминирующей теорией формирования волн-убийц является явление, называемое модуляционной нестабильностью. Это процесс, при котором небольшие изменения во времени и расстоянии между волнами приводят к концентрации энергии в одной волне. Вместо того чтобы оставаться равномерно распределёнными волнами, структура смещается и делает одну волну значительно больше других.
Согласно Феделе, модуляционная нестабильность «в основном точна, когда волны ограничены каналами, как в лабораторных экспериментах, где энергия может течь только в одном направлении. Однако в открытом океане энергия может распространяться в нескольких направлениях».
Силы выравниваются
В этом новом исследовании Феделе и его команда проанализировали обширный набор данных из 27 500 записей о волнах, собранных за 18 лет в Северном море. Каждая из этих записей фиксировала 30 минут детальной волновой активности, включая высоту, частоту и направление волн.
Данные показали, что для возникновения огромных волн не требуется необычных сил. Достаточно правильного выравнивания знакомых нам сил, которые создают волны.
«Волны-убийцы следуют естественным законам океана, а не являются исключением из них», — сказал Феделе. «Это наиболее убедительное и реальное доказательство на сегодняшний день».
В данных по Северному морю не было обнаружено признаков модуляционной нестабильности в волнах-убийцах. Вместо этого команда обнаружила, что самые большие волны, скорее всего, являются результатом двух более простых эффектов.
Первый эффект называется линейным фокусированием. Это происходит, когда волны, движущиеся с разной скоростью и в разных направлениях, случайно совпадают во времени и месте. Затем волны складываются вместе, образуя гораздо более высокий гребень (верхнюю часть волны), чем обычно.
Второй эффект — ограниченные нелинейности. Они возникают, когда естественные эффекты волны искажают её форму. Это делает гребень круче и выше, одновременно сглаживая впадину (нижнюю точку волны). Искажение может сделать большие волны ещё выше примерно на 15–20%.
Когда эти два стандартных волновых поведения объединяются, в результате получается гораздо более крупная волна. Нелинейный характер океанских волн даёт ей дополнительный импульс, помогая ей расширяться.
«Они часть языка океана»
Поскольку волны-убийцы не являются мифологическими или теоретическими, они представляют реальную опасность для кораблей и морских сооружений. Тем не менее многие модели прогнозирования всё ещё рассматривают волны-убийцы как непредсказуемые случайности, по словам Феделе. Обновление этих моделей имеет решающее значение для повышения безопасности.
«Они экстремальны, но объяснимы», — сказал он. «Это фундаментально важно для безопасности судоходства, прибрежных сооружений и нефтяных платформ. Они должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать эти экстремальные явления».
Команда также использует искусственный интеллект для анализа десятилетий волновых данных, обучая алгоритмы обнаруживать тонкие сочетания высоты, направления и времени, которые предшествуют экстремальным волнам. Их цель — предоставить прогнозистам более совершенные и точные инструменты, которые могут предсказывать, когда может ударить волна-убийца.
Хотя катящиеся волны океана могут показаться случайными, экстремальные волны, такие как волны-убийцы, на самом деле следуют естественному узнаваемому шаблону, который может помочь в прогнозах. У каждой волны-убийцы есть своего рода «отпечаток пальца» в виде структурированной группы волн до и после пика, который показывает, как она образовалась.
«Волны-убийцы — это, проще говоря, плохой день в море, — сказал Феделе. — Это экстремальные явления, но они часть языка океана. Мы только учимся их понимать».