Гигантските вълни, които се издигат от нищото и предизвикват хаос в корабоплаването, са по-чести, отколкото се опасяваме.
„За Бога, дръжте се! Удари ни!“
Когато изследователят Ърнест Шакълтън произнася тези думи в Антарктида през 1916 г., корабът му Endurance вече е бил обграден от ледовете, смачкан и потънал. След което той заедно с малък екипаж в една лодка гребат отчаяно към остров Южна Джорджия. Но по пътя Шакълтън забеляза поредното бедствие, насочващо се към тях – огромна вълна.
„По време на двадесет и шест-годишния си опит в океана във всичките му настроения не бях срещал вълна толкова мощна и гигантска. Това беше могъщо сътресение на океана, нещо съвсем различно от обширните морета в бял покров, които бяха наши неуморими врагове в продължение на цели дни, но по някакъв начин лодката го преживя.”
Въпреки че чудовищни вълни като „могъщото сътресение“ на Шакълтън често се срещат в приказките на моряците, на суха земя такива разкази обикновено се посрещат с повдигнати вежди. Когато обаче на 1 януари 1995 г. огромна водна стена се блъсна в петролната платформа Draupner в Северно море, науката най-накрая настигна фолклора. Наречена Новогодишната вълна, тя стана първият официален запис за т. нар. измамна вълна. 25-метровият гигант се издигна внезапно от заобикалящото море, разтърсвано от вълни, високи средно по около 12 метра.
Оттогава нашето разбиране за сложните сили, които карат водата рязко да се издига, за да създаде измамни вълни, далеч по-високи от тези около тях, стана по-ясно, задвижвано вече от по-надеждни измервания, напредък в моделирането на вълни и увеличени изчислителни мощности.
Разрушителна сила
Но за да защитим корабите и хората в морето, трябва да можем да предскажем кога ще се появят тези измамни вълни. Като се имат предвид сложните модели на вълните в необятните морски райони, изготвянето на точни прогнози не е проста задача. И все пак необходимостта от подобни прогнози може да става все по-спешна; тъй като изменението на климата засилва метеорологичните механизми, в резултат на което все по-често ще наблюдаваме такива океански чудовища.
Вълните се надигат от енергия, образувана главно от вятъра, те стават все по-големи с разстоянието, когато се появяват от силен вятър и понякога условията карат една да се издига далеч по-високо и много по-стръмно от съседните ѝ. Въпреки че няма определена дефиниция за измамна вълна, общоприето е те да имат височина от гребена до основата, повече от два пъти средната височина на най-високата от околните вълни.
По същество измамната вълна е много висока концентрация на енергия, казва Алесандро Тофоли от университета в Мелбърн, Австралия. Тези чудовища могат да се появят като водни стени, достигащи близо 30 метра височина, с голяма разрушителна сила. Те представляват сериозна заплаха дори за най-големите кораби и се смята, че са потопили най-малко 22 супер танкера между 1969 и 1994 г. И са отнели повече от 500 живота.
Дори когато са по-малко екстремни, те все пак могат да бъдат смъртоносни. В Южна Африка много рибари са загинали, след като са се разбили в скалите от внезапно надигнали се големи вълни в иначе спокойни дни във False Bay, място, което впоследствие е наречено „крайбрежието на смъртта“.
Тези гиганти също така могат да идват и на групи. На 30 ноември 2018 г. серия от три необичайно високи вълни бяха засечени от радара в Северно море, наречени Justine Three Sisters. Това беше първото официално документиране на тройна измамна вълна.
Те се появяват неочаквано, така че е много трудно да бъдат изучавани в морето.
По ирония на съдбата, изследователите на измамни вълни надали някога ще видят такава на живо. Вместо това те разчитат на данни от дистанционно наблюдение и лабораторни симулации, за да разберат и визуализират поведението им.
И така, какво ги причинява?
Първоначално се е смятало, че те възникват чрез праволинеен механизъм, при който вълните с различни скорости и посоки си взаимодействат и при подходящите условия се сливат. Но този така наречен линеен подход не отчита всички измамни вълни, а също така предвижда, че те би трябвало да бъдат изключително редки, но както вече знаем те съвсем не са толкова необичайни.
Когато проектът MaxWave извърши първото преброяване на измамни вълни, използвайки спътници на Европейската космическа агенция, той идентифицира поне 10 такива в района на Южния Атлантик в рамките на триседмичен период през 2001 г. А проучване от 2011 г. на данни от шамандури изчислява, че има 1% шанс на ден да се сблъскате с измамни вълни по-високи от 11 метра по основните маршрути за корабоплаване в северния Атлантик.
Според алтернативен подход за моделиране на океанската повърхност, вместо да бъдат създадени чрез просто сливане, тези гиганти могат да бъдат обяснени от гледна точка на физиката на движението на вълновата енергия. Това използва уравнения като уравнението на Шрьодингер, което може да помогне да се предскаже бъдещото поведение на хаотични системи като например фондовите пазари или метеорологичните модели. Този „нелинеен“ метод предсказва, че измамните вълни все пак не са толкова редки, което се потвърждава от наблюденията в реалния свят.
„Ние считаме, че има много повече такива вълни, отколкото се очаква“, казва Елжбета Битнер-Грегерсен, която изучава измамни вълни в DNV, консултантска компания в Осло, Норвегия.
Тофоли стигна до подобно заключение, докато разиграваше модели с условията, при които генерираните от вятъра вълни биха станали измамни, в проучване от 2017 г. Той и колегите му използваха пръстеновиден резервоар в университета в Торино (Италия) за да проведат тестовете си. Обичайната лабораторна практика е да се генерират вълни с гребла в прав резервоар, но новият им кръгъл резервоар позволява на вълните, генерирани от вентилатори, да текат свободно и по принцип с неопределено поведение.
Измамни вълни в дивата природа
Изследователите измерват котата на повърхността, докато вятърът духа над водата, увеличавайки скоростта си и насищайки вълните с енергия. В този момент, точно преди вълната да се разбие, вероятността от екстремни вълни „се издига високо“, обяснява Тофоли.
Всичко това е едно много добро разбиране на вълните, но все пак наблюдавано в контролираната среда на лабораторията. Съвсем друг въпрос е как стоят нещата в морето.
„Големият въпрос е – мога ли да наблюдавам резултатите, които съм виждал в модела си в лабораторията и в реалния океан?“ казва Тофоли.
През 2017 г., след 15 години изучаване на няколко сантиметрови измамни вълни в лаборатории, Тофоли най-накрая се зае да направи точно това. Той беше на борда на антарктическия изследователски кораб на Южна Африка, SA Agulhas II, като част от експедицията, ръководена от университета в Кейптаун. Те бяха на мисия, целяща да се характеризират вълните в секторите където Атлантическия и Индийския океан се срещат с Южния океан, особено на границата с морския лед. Една от целите на Тофоли беше да установи вероятността от екстремни вълни в тази област.
И тогава неочаквано условията се обърнаха и времето се влоши.
„Бяхме толкова щастливи, че се озовахме на ръба на морския лед в средата на полярен ураган“, казва Тофоли. „Това беше преживяване веднъж в живота.“
Тъй като данните все още трябва да бъдат потвърдени, Тофоли внимава да не твърди погрешно, че е видял истинска измамна вълна, въпреки че описва откритията като „много вълнуващи“. Когато това изследване бъде публикувано по-късно тази година, то трябва да даде представа за това колко близо неговите експериментални модели на вълни стоят до реалните вълни, наблюдавани в дивата природа.
Междувременно, голям интерес за изследователите представляват и плавателните съдове край източния бряг на Южна Африка, където десетки кораби са повредени или потънали в резултат на измамни вълни. Тук течението Агулас гърми на юг със скорост до 8 километра в час и накрая се среща с масивните океански вълни от Южния океан, носещи се в обратната посока.
През 1991 г. големия петролен танкер ULCC Mimosa, беше ударен от вълна, която капитанът му описва като най-голямата, която е виждал. Корабът едва изкрета до пристанището с дупка от повече от 20 квадратни метра в корпуса.
Изследователите се надяват, че техните модели могат да направят тези проливи по-безопасни, но нещо не е добавено в данните им.
„Бяхме напълно наясно, че течението Агулас влияе на климата на вълните по източния бряг“, казва Кристо Раутенбах, бивш морски учен от Южноафриканската метеорологична служба (SAWS), сега в Националния институт за изследване на водите и атмосферата в Хамилтън, Нова Зеландия. И все пак реалните записи на вълните от региона не корелират с моделите на изследователите за движението на енергия във вълните, казва той.
След това през 2020 г. нови компютърни симулации разкриха как други фактори – силата на течението и неговата посока спрямо посоката на вълните – влияят върху височината на вълната.
„Когато вълните се противопоставят на посоката на течението, то ще забави скоростта на вълната“, казва Майкъл Барнс от SAWS. „Това определя стръмността на вълната и също така фокусира енергията в ритмична последователност от вълни, известна като вълнов влак (или вълнен пакет).
Въз основа на тези резултати SAWS пусна първата система за прогнозиране на вълните, включваща ефекта, който течението Агулгас оказва върху тях, въпреки че все още е далеч от прогнозирането на отделни измамни вълни. Раутенбах твърди, че може статистически да създаде по-добра картина къде и кога да бъдем нащрек за екстремни вълни и тези прогнози сега се излъчват чрез морски сигнали.
Крайбрежието на смъртта
Ново изследване изясни и механиката на „крайбрежието на смъртта“ в Южна Африка. То показва, че плиткото крайбрежие действа подобно на леща, пречупваща като лъч нахлуващия широк океан и фокусираща вълновата енергия към брега, създавайки неочаквано големи вълни при определени условия. Изследователите се надяват, че тази информация в крайна сметка може да се окаже полезна за създаването на крайбрежни системи за предупреждение.
Прогнозирането на измамната вълна в последно време е напреднало и в Северния Атлантик, чрез критерии за предупреждение за екстремни вълни с оглед на морските структури. Такъв е например ExWaMar, норвежки проект, който има за цел да разработи критерии за предупреждение въз основа на прогнозите за времето. Той допълнително акцентира върху предизвикателството да предскаже тези редки събития.
Първо, изследователите на ExWaMar използваха данни за вълните и времето, за да видят дали могат да симулират неправилни вълни, използвайки метод, основан на уравнението на Шрьодингер. Този подход успя умело да пресъздаде онази известна тройна вълна Justine Three Sisters, доказвайки, че точното прогнозиране е невъзможно.
Имаше обаче и нещо коварно. Този процес е толкова изчислително „интензивен“, казва ръководителят на проекта Битнер-Грегерсен, че е непрактично за него да се използват метеорологичните служби. Вместо това изследователите от ExWaMar се насочиха към по-малко изчислителни алтернативи, включително използване на машинно обучение, за да предвидят индикатори за измамни вълни. Те постигнаха някои обещаващи резултати, но все още не е достатъчно за точно прогнозиране на отделни измамни вълни.
Битнер-Грегерсен смята, че решението може би е да погледнем по-мащабно.
„Морската повърхност е произволна. Тя се колебае“, казва тя и затова няма смисъл да се разработват критерии за предупреждение само за една точка. Вместо това критериите на ExWaMar за риска от измамни вълни трябва да бъдат приложими за площ от поне 2,5 квадратни километра.
Понастоящем тази стратегия се тества с цел включването на тези прогнози в метеорологичните карти на Норвежкия метеорологичен институт, които гледат напред към следващите шест дни.
Ако това се окаже точно, стратегията може да бъде изготвена и в международен план. Това би добавило ново ниво на детайлност към прогнозите на организации като Европейския център за климатични прогнози на средни разстояния, предоставящ прогнози за най-високите вълни, които се очакват в даден район.
Изготвянето на по-добри прогнози за измамни вълни вече може да помогне моретата да станат по-безопасни за кораби в потенциално опасни води, а мнозина вярват, че тази нужда ще стане още по-остра в бъдеще.
Екстремните вълни могат да станат по-вероятни в резултат на изменението на климата, както поради увеличаване на активността на бурите, така и поради факта, че топящите се полярни ледове ще дадат на вятъра повече открита морска повърхност.
Възможно е обаче и променящият се климат да не доведе до повече измамни вълни, а вместо това до по-малко, но по-големи, както се наблюдава при изследването на измамни вълни край западното крайбрежие на САЩ.
Прогнозирането на тези тенденции е още по-сложно от прогнозирането на измамни вълни. Друг норвежки проект, наречен ExWaCli (Екстремни вълни и климатични промени), се провежда от 2013 до 2016 г., за да изследва промените в климата на северноатлантическите вълни с оглед на по-безопасния дизайн на корабите.
Големите вариации в прогнозите за изменението на климата, бъдещото на леденото покритие и ветровете затрудняват изготвянето на достатъчно точни заключения.
Въпреки това той локализира някои места в Северния Атлантик, където може да се сблъскате с повече измамни вълни. Например в една област край бреговете на Северна Норвегия те могат да бъдат резултат от топенето на морски лед, съчетано с потенциално увеличаване на продължителността и скоростта на вятъра.
Резултатите показват, че изкривяването на условията за измамни вълни ще бъде по-често, казва Битнер-Грегерсен. Промените в количествата на морския лед и по-мощните вълнения поради изменението на климата в Арктика също могат да увеличат появата на измамни вълни там.
Трябва да извървим дълъг път до момента когато започнем точно да предсказваме измамните вълни в дивата природа. Междувременно внимавайте. Математиката показва, че теоретично са възможни „супер големи измамни вълни“ до пет пъти по-високи от тези около тях. Не само това, ами те са генерирани в малък резервоар в лабораторни условия. Какво ли би казал обаче Шакълтън, ако се беше сблъскал с някоя от тях?
Източник: New Scientist Magazine
Превод: Радослав Тодоров
