Когда-то считавшиеся морским мифом, эти высокие волны могут представлять серьезную опасность для кораблей в открытом море. Теперь ученые разрабатывают способы предсказать их до того, как они нанесут удар.
На знаменитой гравюре Кацусики Хокусая «Под волной у Канагавы» изображена большая волна, которую многие ошибочно принимают за цунами. Изображенная большая прибрежная волна, скорее всего, является волной-убийцей.
В 1826 году капитан Жюль Дюмон д’Юрвиль, французский ученый и морской офицер, попал в шторм во время пересечения Индийского океана. Он наблюдал, как стена воды поднялась примерно на 100 футов над его кораблем «Астролябия». Это была одна из нескольких волн высотой более 80 футов, которые он зафиксировал во время дикого шторма. Один из членов его команды был потерян в море. Однако после того, как Дюмон д'Юрвиль вернулся на сушу, его рассказ, подтвержденный тремя свидетелями, казался настолько диковинным, что был отвергнут как фантазия.
Ученые в то время считали, что волны могут достигать только около 30 футов в высоту, поэтому несколько сообщений 19-го века о массивных волнах, поднимающихся в открытом океане, были в значительной степени списаны со счетов как морские мифы. Только позже ученые поняли, что сообщения были редки, потому что многие моряки, испытавшие на себе эти так называемые волны-убийцы, не выжили, чтобы рассказать об этом.
Корабли Жюля Дюмона Д'Юрвиля, «Астролябия» и «Зеле», нарисованные и литографированные Луи Ле Бретоном в 1840 году. Сцена изображает путешествие между 1837 и 1840 годами для исследования периметра Антарктиды. В предыдущей экспедиции примерно десятью годами ранее Дюмон Д'Юрвиль столкнулся с тем, что он описал как 100-футовую волну в Индийском океане.
Фотография прибойной волны в Южном океане, сделанная французским ледоколом «Астролябия», названным в честь исторического корабля Дюмона д’Юрвиля, во время одного из его регулярных рейсов между Хобартом, Тасмания, Австралия, и «Дюмон д’Юрвиль». Станция в Антарктиде. Форма удивительно похожа на ту, что изображена Хокусаем в «Под волной у Канагавы».
Сегодня волна-убийца определяется как волна, которая более чем в два раза превышает высоту окружающих ее волн. Эти гигантские волны могут появиться внезапно и, казалось бы, из ниоткуда. С крутыми бортами и глубоким желобом внизу они напоминают стену воды, поднимающуюся из моря. Они могут возникать во время штормов с неспокойным морем, но также сообщалось о них и в спокойных водах, что является одной из причин, по которой их так трудно предсказать.
Ученые признали волны-убийцы реальным явлением с середины 1990-х годов, но защита от них морских путешественников по-прежнему остается серьезной проблемой. Хотя они относительно редки, волны-убийцы могут нанести серьезный ущерб и привести к гибели людей, если они столкнутся с кораблем в открытом море. На просторах океана взаимодействие многих сил, ведущих к волнам-убийцам, может быть трудно распутать. Совсем недавно математики объединили данные реального мира, собранные с буев, со статистическими моделями, чтобы понять, что вызывает образование этих гигантских волн. Их работа дает надежду на то, что мы сможем даже предсказать волны-убийцы до того, как они ударят.
На этом изображении показана морфология волны-убийцы, воссозданная в лаборатории FloWave Ocean Energy Research Facility Эдинбургского университета в Шотландии.
Как могут расти волны
По мере развития технологий судостроения в 20-м веке число выживших свидетелей волн-убийц росло. В апреле 1966 года итальянский круизный лайнер «Микеланджело» столкнулся с 80-футовой волной, которая поднялась высоко над окружающими его штормовыми волнами. Корабль получил значительные повреждения, три человека утонули, но большинство из находившихся на борту благополучно добрались до берега.
Экипажу немецкого контейнеровоза MS Mü nchen повезло меньше. В декабре 1978 года корабль вышел из немецкого портового города Бремерхафен в Саванну, штат Джорджия, с грузом стали и командой из 28 человек. После сообщения о плохой погоде и отправки сигналов бедствия ранним утром 13 декабря корабль и все на это исчезло. Спасательная шлюпка, которая была прикреплена к кораблю на высоте около 65 футов над водой, была обнаружена, но, похоже, ее сорвало со стойки, вероятно, поднявшейся волной, по крайней мере, такой же высоты.
Научные сомнения относительно этих загадочных гигантских волн не были полностью развеяны до 1995 года, когда волна-убийца обрушилась на нефтяную вышку Драупнер, газовую платформу в Северном море у берегов Норвегии. Пик волны, измеренный лазерным детектором на строительных лесах буровой установки, поднялся на 85 футов над поверхностью.
Наблюдательный буй канадской исследовательской компании MarineLabs виден в бурных водах примерно в трех милях от того места у побережья Британской Колумбии, где другой сенсорный буй MarineLabs зафиксировал экстремальную волну-убийцу в 2020 году.
Ученые с тех пор выяснили, что в отличие от цунами, которые представляют собой большие волны, вызванные внезапным перемещением воды в результате такого события, как землетрясение или оползень, волны-убийцы образуются из-за случайной комбинации движений волн в океане.
Для объяснения движений волн, порождающих волны-убийцы, возникли две основные математические теории: линейное сложение и нелинейная фокусировка. Линейное сложение предполагает, что волны распространяются по океану с разной скоростью, и когда они пересекаются, они могут усиливаться и превращаться в волну-убийцу. Нелинейная фокусировка предполагает, что волны распространяются группами и могут передавать энергию друг другу, что иногда порождает волну-убийцу.
Одной из причин неопределенности является то, что волны-убийцы встречаются редко. Даже сейчас не хватает качественных данных отслеживания.
«Обычно океанские волны-убийцы измеряются с помощью измерений платформ или буев, которые записывают измерения времени в определенном месте без каких-либо знаний о том, что произошло раньше или произойдет дальше», - говорит Амин Чабчуб, волновой физик из Университета. Сиднея в Австралии. Исследование, проведенное в 2019 году под руководством Чабчуба, оценило несколько наблюдений и моделей волн-убийц, и команда пришла к выводу, что механизм возникновения волн-убийц может меняться в зависимости от различных факторов в море в данный момент времени, известных как состояние моря..
Чтобы компенсировать ограниченные наблюдения за волнами-убийцами, ученые полагаются на волновые резервуары. «Отдых в лаборатории практически один в один имитирует то, что происходит на поверхности океана», - говорит Чабчуб. Эти эксперименты могут даже учитывать течения и ветры, хотя контролируемые параметры имеют свои ограничения.
Когда вода задерживается в узком канале, таком как волновой резервуар, большие волны формируются и наблюдаются гораздо легче. Однако эти эксперименты представляют собой «нереалистичный сценарий», потому что волны не могут распространяться во всех направлениях, как в море, говорит Франческо Феделе, инженер-океанолог из Технологического института Джорджии.
Национальное управление океанических и атмосферных исследований разрабатывает систему, которая может ежечасно прогнозировать потенциально опасные районы океана с помощью программы под названием WAVEWATCH III. В последней версии, выпущенной в 2019 году, используется формула вероятности, разработанная Феделе в 2012 году, для прогнозирования экстремальных условий в океане в определенном месте и в определенное время. Это полезный инструмент, помогающий морякам держаться подальше от опасного моря, но его может быть недостаточно, чтобы защитить их от волны-убийцы, которая появляется ни с того ни с сего.
Йоханнес Геммрих, научный сотрудник Университета Виктории в Канаде, который проанализировал волну-убийцу 2020 года возле острова Ванкувер, говорит, что волны-убийцы чаще всего генерируются, когда волны движутся с разной скоростью и иногда перекрываются, что подтверждает модель линейного сложения.. Но он считает, что асимметрия волн - когда волны имеют более высокие пики и более низкие впадины - также играет решающую роль.
«Если мы допускаем более сильную асимметрию, вероятность экстремальных волн-убийц резко возрастает», - говорит Геммрич.
Общая формула моря
Одна школа математиков говорит, что не имеет значения, что вызывает волну-убийцу, потому что можно довольно точно предсказать волны-убийцы, используя статистическую основу для редких явлений, называемую теорией больших отклонений.
Идея этого метода заключается в том, чтобы смоделировать наиболее эффективный способ формирования волны-убийцы, а затем использовать эту модель для построения схемы пути развития конкретной волны-убийцы. Теория может учитывать линейные и нелинейные эффекты в зависимости от сценария, поэтому ее сторонники считают ее объединяющей теорией, которую, возможно, можно использовать для предсказания волн-убийц в различных условиях океана.
«Если вы просто посмотрите на абсолютно самый эффективный способ формирования этих волн, он очень хорошо согласуется с фактически наблюдаемыми», - говорит Тобиас Графке, математик из Уорикского университета в Великобритании.
Графке и группа исследователей проверили эту теорию на волновых каналах, сравнили результаты с наблюдениями за волнами в реальном времени и обнаружили, что метод может удивительно хорошо предсказывать волны-убийцы в обоих случаях.
Однако проблема с этой структурой заключается в том, что чрезвычайно сложно учесть все факторы состояния моря в конкретный момент времени. Если вы капитан корабля, наиболее полезная информация для прогнозирования будет получена из наблюдений в реальном времени, а не из статистических вероятностей. Графке говорит, что формула его команды может учитывать специфику данного состояния моря, но чем больше переменных вы добавите, тем сложнее будет быстро найти решение.
«Чем сложнее эти [уравнения], тем лучше прогноз, тем выше вычислительные усилия и время», - говорит Чабчуб. «Поэтому для получения полезных результатов требуется компромисс между точностью и временем».
Прогнозирование в реальном времени
Ученые переходят к технологии прогнозирования волн в реальном времени, но новые подходы необходимо тестировать в реальных условиях, что является проблемой, учитывая редкость волн-убийц. Во многих случаях процесс вычислений необходимо ускорить, чтобы он соответствовал скорости волн.
Волны-убийцы могут образоваться всего за «10-15 секунд в бурном море», - говорит Феделе. «По-прежнему сложно делать быстрые и точные прогнозы за такой короткий промежуток времени».
Чтобы предсказать волну-убийцу, ученым потребуется радарная система для непрерывного измерения волн вблизи лодки, чтобы они могли обрабатывать данные через математическую модель, рисующую картину поверхности океана в данный момент. Модель, которая вычисляет новую поверхность каждые пять минут, могла бы дать относительно точный прогноз того, как волны будут развиваться в следующие несколько минут.
Такой системы пока нет. «Технологии есть. Теперь вопрос в том, как [сделать] это быстро?» Феделе говорит.
Поскольку измеряется все больше волн-изгоев, математики могут, наконец, найти способ предвидеть эти смертоносные волны до того, как они поднимутся из океана - технология, о которой капитан Дюмон д'Юрвиль мог только мечтать еще в 1826 году.
Примечание редактора: в этой статье изначально неверно указано место назначения MS München. Он направлялся в Саванну, штат Джорджия.