Предсказать непредсказуемое: российский ученый разработал метод прогнозирования волн-убийц

В июне 2018 года супруги Джой и Джим Кери путешествовали на своей 14-метровой яхте по Гавайским островам. Но внезапно, за 300 км до побережья Калифорнии, их отпуск прервался. Пока Джой отдыхала в каюте, а Джим находился на палубе, на судно обрушился удар страшной силы. Все вокруг заполнила вода.

Несмотря на то, что Джим в это время стоял за штурвалом, приближения волны он не заметил. Все произошло внезапно. Огромный водяной вал подкрался к лодке, сначала высоко подкинув ее, а затем обрушив сверху тонны воды. Яхта чудом осталась на плаву. Мачта тоже уцелела. Но вода смыла УКВ-антенну, спасательный плот и надувную шлюпку. Палуба была залита водой, салон – полностью разрушен. А огромной волны как будто и не бывало.

Четыре часа супруги отчаянно пытались откачать воду и запустить запасной передатчик, пока их не обнаружил вертолет береговой охраны. Спустя месяц покинутая и изрядно потрепанная яхта была найдена патрульными почти в 650 километрах от места происшествия.

Можно сказать, что семье Кери несказанно повезло. Потому что то, с чем им довелось столкнуться – не что иное, как волна-убийца. Это явление возникает из ниоткуда, уходит в никуда и предсказать его практически невозможно. И обычно оно несет за собой куда более серьезные разрушения. В 60-х годах прошлого века, например, в порт Нью-Йорка вошел лайнер «Микеланджело». Его нос больше напоминал груду покореженного металла. Двое пассажиров и один член экипажа были мертвы. Причиной этому – 25-метровая волна, которая внезапно обрушилась на судно.

Согласно ретроспективной оценке, именно волны-убийцы стали причиной гибели или повреждений 22 грузовых судов и смерти 525 человек только в период с 1969 по 1994 годы. Известно также, что в 2005 году волны уничтожили как минимум сто домов и убили четыре человека.

Та, которую нельзя предсказать

Несмотря на то, что об этом загадочном явлении рассказывал даже Колумб, официально существование возникающих из ниоткуда смертоносных волн было признано наукой только в конце ХХ-го века. Тогда приборы опытной нефтедобывающей платформы «Дропнер S» зафиксировали волну высотой в 25,6 метров. И даже с учетом бушевавшего рядом шторма, возникновение такой волны было необъяснимо, ведь высота других волн не превышала 11 метров.

Сегодня известно, что образуются волны-убийцы как путем простого сложения нескольких небольших волн, идущих в разных направлениях, так и путем нелинейного взаимодействия волн – процесса, в ходе которого одна небольшая волна приобретает энергию из фонового волнения. И в том, и в другом случае высота возникшей волны может многократно превышать высоту своих предшественниц. Поэтому они представляют опасность не только для судов и платформ, добывающих нефть и газ, но и для низколетящих вертолетов.

Волны-убийцы нередко путают с цунами. Но это в корне неверно. Ученые давно изучили причины возникновения цунами, среди которых подводные землетрясения, оползни и извержения вулканов, и разработали методы их прогнозирования. В то время как предсказать, когда и где возникнет очередная волна-убийца высотой в три десятка метров, практически невозможно. И произойти это может в любой части моря или океана.

Наиболее высока вероятность возникновения волн-убийц на океанских фронтах – областях, где резко меняются характеристики течения, ледового покрова и солености воды, а также в заливах и проливах с изрезанными берегами. Кроме того, повлиять на возникновение смертоносной волны может направление ветра. Например, когда оно противоположно течению или находится под острым углом по отношению к водной глади.

Ученые также обращают внимание на то, что средняя высота волнения за последние 30 лет увеличилась на 30 см, а это совсем немало – около 15% от средней по океану величине. И это значит, что вероятность роста волн-убийц так же велика.

Но вопрос прогнозирования возникновения аномально больших волн до сих пор открыт. Они живут очень мало – в среднем несколько десятков секунд. Видимых глазу предпосылок их возникновения тоже практически не бывает. А если и бывают, успеть отреагировать и избежать столкновения почти невозможно. Поэтому пока ученые видят перспективу только в методах теоретического моделирования. Но те модели, которые используются сейчас, обеспечивают далеко не самую высокую точность прогнозирования. Особенно в условиях каналов и проливов, поскольку там волны ведут себя совсем не так, как в открытом море.

Прогнозированию быть! 

Разработать новую более точную теоретическую модель, с помощью которой можно прогнозировать возникновение волн-убийц, в том числе в каналах и проливах, удалось Андрею Пушкареву, старшему научному сотруднику Сколтеха и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН. Результаты исследования уже опубликованы в журнале Ocean Dynamics.

Предсказать возникновение смертоносной волны в канале или проливе сложно из-за наличия изрезанных береговых линий. Волны могут многократно и причудливо отбиваться от них, из-за чего в воде образуется неоднородность. А она в свою очередь провоцирует адвекцию волн. Это горизонтальное перемещение водных масс с сохранением их характеристик – без смешивания с остальной водой, как бы слоями. Яркий пример такого явления – весенний ручей под толстым слоем льда.

Одновременно с адвекцией наблюдается нелинейное взаимодействие волн – столкновение волн, которые движутся в разных направлениях и с разной скоростью. В этот момент они не просто накладываются друг на друга – между ними происходит обмен энергией. В результате вместо обычного линейного наложения волн, или суперпозиции, происходит нелинейный и непредсказуемый рост амплитуды волнения. Встречаясь, адвекция и нелинейное взаимодействие провоцируют возникновение необычного явления - образования волн, перпендикулярных направлению ветра.

Автор модели также указывает на сходство процесса образования волн в проливах с лазерным излучением. Обычный лазер выглядит как трубка, с обоих торцов закрытая зеркалами, прозрачным и полупрозрачным. Внутри трубки размещен твердый кристалл. Под воздействием электрической обмотки атомы кристалла начинают генерировать световые волны. Они в свою очередь перемещаются от одного зеркала к другому, пока не наберут достаточную для прохождения через полупрозрачное стекло интенсивность.

Для формирующихся волн берега пролива играют роль полуотражающих зеркал. Нелинейные волновые процессы здесь выступают в качестве активного резонатора, колебательной системы, в которой происходит накопление энергии. При этом мощность излучения, которое направлено перпендикулярно ветру, значительно возрастает с ростом отражения от берегов пролива.

В основе модели Андрея Пушкарева лежит уравнение физика и океанолога Клауса Хассельмана. Это уравнение описывает поведение волн: изменение спектральной плотности волнового воздействия или энергии волны под воздействием ветра, изменение характеристик волн под влиянием различных физических механизмов и нелинейных перемещений и прочее. Уравнение используется и в уже существующих моделях, но, как правило, там оно аппроксимируется, упрощается, поскольку иначе решить его современным компьютерам не удавалось. Но если учесть те особые условия, на которые обращает внимание российский ученый, становится возможным добиться точного решения уравнения Хассельмана в его первозданном виде.

Андрей Пушкарев также провел моделирование этого процесса в аналогичном Ла-Маншу проливе. Благодаря этому он выявил расхождения с результатами расчета турбулентности, или беспорядочного потока, сделанных путем традиционных моделей. А также существенные отличия в структуре турбулентности, которые связаны именно с адвекцией и нелинейным взаимодействием волн. То есть существующие модели прогнозирования просто не учитывают упомянутые ранее эффекты.

Описанные ученым процессы могут наблюдаться не только в проливах, но и в открытом море. Там, где присутствуют неоднородные ветры, а пространственные точки поворота ветра создают условия, подобные тем, которые существуют при наличии берегов.

Полученные результаты показывают, что правильный учет турбулентности позволит не только прогнозировать возникновение волн-убийц, но и глубже изучить сейши – стоячие волны, которые возникают в замкнутых водоемах. На практике эти знания также можно применять при конструировании судов и планировании маршрутов.

Саммари

До недавнего времени прогнозирование возникновения волн-убийц практически не представлялось возможным. Такие волны возникают из ниоткуда, достигают нескольких десятков метров в высоту и живут всего несколько секунд. А силы их удара достаточно, чтобы уничтожить огромное судно. Но ученый из Сколтеха смог разработать теоретическую модель, которая учитывает особенности береговых линий и позволяет с высокой точностью прогнозировать возникновение волн-убийц в каналах, проливах и открытом море.