Волны-убийцы уже несколько десятилетий привлекают внимание как мореплавателей, так и учёных. Это одиночные гигантские волны, которые внезапно появляются в открытом океане.

Эти загадочные гиганты недолговечны, обычно они существуют менее минуты, а затем исчезают. Их высота может достигать 20 метров и более, и зачастую они более чем в два раза превышают высоту окружающих волн. Когда-то они были морским мифом, но теперь волны-убийцы наблюдаются по всему миру. Поскольку они такие высокие и мощные, они могут представлять опасность для судов и морских сооружений.

5 гигантских волн, попавших на камеру. Интересное видео, хотя в нём и многовато воды

Чтобы переосмыслить, что такое волны-убийцы и что их вызывает, я собрал международную команду исследователей. Наше исследование, опубликованное в журнале Nature Scientific Reports, проливает свет на этих океанских гигантов, используя самый полный набор данных такого рода.

Проанализировав 18 лет высокочастотных лазерных измерений с нефтяной платформы Ekofisk в центральной части Северного моря, мы пришли к удивительному выводу: волны-убийцы — это не просто случайные явления. Они возникают по естественным законам моря. Они не таинственны, а наоборот, довольно просты.

27 500 состояний моря

Мы проанализировали почти 27 500 получасовых записей волн, или состояний моря, собранных в период с 2003 по 2020 год в центральной части Северного моря. Эти записи, сделанные каждые 30 минут, описывают, насколько поверхность моря была выше среднего уровня. В записи входят и крупные штормы, такие как волна Андреа в 2007 году.

В обычных условиях волны возникают из-за ветра, дующего на поверхность моря. Это похоже на то, как если бы вы подули на чашку с кофе, и на поверхности образовалась бы мелкая рябь. В море, при наличии достаточного количества времени и пространства, эта рябь может превратиться в большие волны.

Мы сосредоточились на том, чтобы понять, что заставляет волны внезапно становиться неконтролируемыми и подниматься намного выше соседних волн. Одна из предложенных теорий основана на модуляционной неустойчивости — явлении, описываемом сложными математическими моделями. В прошлом я пересмотрел эти модели, так как моя работа показала, что эта теория не полностью объясняет причины возникновения волн-убийц в открытом океане.

Когда волны заперты в узком канале, их пульсационное движение хорошо описывает теория модуляционной неустойчивости. Однако при взгляде на реальный океан она начинает «рассыпаться». В открытых средах, таких как Северное море, волны могут свободно распространяться с разных направлений.

Чтобы понять разницу, представьте себе толпу зрителей, покидающих стадион после футбольного матча. Если выход представляет собой длинный, узкий коридор с высокими стенами, люди вынуждены двигаться в одном направлении. Те, кто находится сзади, протискиваются вперёд, а некоторые могут даже перелезть через других, скапливаясь между стенами. Это катастрофическое нагромождение будет напоминать набегающую волну, вызванную их зажатостью.

Напротив, если выход со стадиона открывается на широкое поле, зрители могут свободно разойтись во всех направлениях. Они не давят друг на друга и избегают скоплений.

Аналогичным образом исследователи могут генерировать в лаборатории волны-убийцы в ограниченном канале, где они подчиняются модуляционной неустойчивости. Но если канал не ограничен, то в открытом море волны-убийцы обычно не следуют этим физическим законам и не формируются таким же образом.

Наша команда понимала, что для того, чтобы выяснить, что происходит на самом деле, необходимо изучить непосредственно открытое море. Реальные данные, которые моя команда изучила в Северном море, не согласуются с модуляционной неустойчивостью — они рассказывают совершенно другую историю.

Просто плохой день на море

Мы проанализировали записи о состоянии моря с помощью статистических методов, чтобы выявить закономерности, лежащие в основе этих редких событий. Наши выводы показывают, что вместо модуляционной неустойчивости наблюдаемые экстремальные волны, скорее всего, образовались в результате процесса, называемого конструктивной интерференцией.

Конструктивная интерференция происходит, когда две или более волны выстраиваются в линию и объединяются в одну большую волну. Этот эффект усиливается благодаря естественной асимметрии морских волн — их гребни обычно острее и круче, чем более плоские впадины.

Блуждающие волны образуются, когда множество мелких волн выстраиваются в линию и их более крутые гребни начинают складываться в одну массивную волну, которая на короткое время возвышается над окружающей средой. Всё, что нужно для того, чтобы спокойная прогулка на лодке превратилась в плохой день на море, — это чтобы множество обычных волн сошлись и сложились в одну большую.

Эти волны поднимаются и опускаются менее чем за минуту, следуя так называемому квазидетерминированному шаблону в пространстве и времени. Этот тип закономерности является узнаваемым и повторяющимся, но с оттенками случайности. В идеализированном океане эта случайность почти исчезает, позволяя волнам-убийцам расти почти до бесконечности. Но для того чтобы увидеть одну из таких волн, потребуется целая вечность, ведь их должно быть так много, чтобы выстроиться в идеальную линию. Это как ждать, пока Фортуна, богиня случая, бросит триллион игральных костей и почти все они выпадут на одно и то же число.

В реальном океане природа ограничивает размер волны-убийцы благодаря эффекту слома волн. По мере того как волна растёт в высоту и набирает энергию, она не может удержаться дальше определённой точки невозврата. Верхушка волны переламывается и разбивается в пену, высвобождая избыточную энергию.

Квазидетерминированная модель, лежащая в основе волн-убийц

Волны-убийцы – не только морская тема. Конструктивная интерференция может происходить со многими типами волн. Общая теория под названием «квазидетерминизм волн», разработанная океанографом Паоло Боккотти, объясняет, как образуются волны-убийцы как в океане, так и в других волновых системах.

Например, в турбулентной воде, текущей по замкнутому каналу, волна-убийца проявляется в виде интенсивного, кратковременного всплеска вихрей — узоров крутящихся вихрей в воде, которые мгновенно увеличиваются в размерах по мере продвижения вниз по течению.

Хотя океанские волны кажутся непредсказуемыми, теория Боккотти показывает, что экстремальные волны не являются абсолютно случайными. Когда образуется действительно большая волна, волны в море вокруг неё следуют узнаваемому образцу, сформированному с помощью конструктивной интерференции.

Мы применили теорию Боккотти, чтобы выявить и охарактеризовать эти закономерности в измеренных записях волн Северного моря.

Гигантские волны, наблюдаемые в этих записях, несут в себе своего рода «подпись» или «отпечаток пальца» в виде группы волн, которая может показать, как волна-убийца появилась на свет. Представьте себе волновую группу как небольшой пакет волн, движущихся вместе. Они нарастают, достигают пика и затем затухают благодаря конструктивной интерференции. Отслеживание этих групп волн позволяет исследователям понять общую картину развития событий.

В качестве примера можно привести мощный шторм, обрушившийся на Северное море 24 ноября 2023 года. Камера на платформе Ekofisk зафиксировала мощную 17-метровую волну-убийцу. Я применил теорию квазидетерминизма и ИИ-модель, чтобы исследовать происхождение этой экстремальной волны. Мой анализ показал, что волна-убийца следовала этим теориям — квазидетерминизма и конструктивной интерференции — и возникла из множества более мелких волн, неоднократно складывавшихся вместе.

Слева: Стереовидеозапись мощного шторма в Северном море 24 ноября 2023 г., сделанная на платформе Ekofisk. Справа: Подпись волновой группы, приведшей к появлению зарегистрированной волны-убийцы.

Понимание того, как формируются волны-убийцы, может помочь инженерам и конструкторам строить более безопасные суда и морские платформы и лучше прогнозировать риски.