Milžiniškos pavojingos bangos: nauji tyrimai atskleidžia tikrąsias atsiradimo priežastis Šiaurės jūroje

Rogue bangos – neįprastai didelės, izoliuotos vandenyno bangos, kurių aukštis gali viršyti net 20 metrų – ilgą laiką buvo laikomos tik jūrininkų pasakojimais. Šiandien šios didžiulės ekstremalios bangos yra gerai dokumentuotas reiškinys, keliantis rimtą grėsmę laivams, naftos platformoms ir kitai jūrinei infrastruktūrai. Naujas, 18 metų trukmės nuolatinių aukštos raiškos matavimų tyrimas, atliktas Ekofisk naftos platformoje centrinėje Šiaurės jūroje, radikaliai pakeitė mūsų supratimą apie šių vandenyno milžinų kilmę.

Tyrimas, publikuotas „Nature Scientific Reports“, apjungė tarptautinę okeanografų, statistikos ir duomenų analizės specialistų komandą. Mokslininkai analizavo beveik 27 500 pusvalandinių jūros būklės įrašų (2003–2020 m.) – tai plačiausias šio tipo in-situ duomenų rinkinys. Tyrimo išvados parodo, kad milžiniškos – vadinamosios „rogue“ – bangos nėra nepaaiškinami atsitiktinumai, bet išauga dėl apibrėžtų fizinių procesų atvirame vandenyne.

Mokslinis pagrindas: nuo vėjo bangų iki ekstremalių įvykių Paprastomis sąlygomis vėjas perneša energiją į vandenyno paviršių, sukeldamas daugybę skirtingų bangų, kurios nuolat keičiasi ir „bendrauja“. Ilgainiui ir tam tikromis kryptimis mažos bangelės gali išaugti į dideles bangas. Yra dvi pagrindinės konkurencingos teorijos, siekiančios paaiškinti, kaip jūroje susiformuoja ekstremalios, lokalizuotos bangos:

• Modulacinis nestabilumas: netiesinė sąveika, dažniausiai aptinkama siauruose laboratoriniuose kanaluose, kai energija sutelkiama į vieną didelę bangą.
• Konstruktyvioji interferencija ir kvazideterminizmas: Paolo Boccotti sukurta statistinė teorija, teigianti, kad ekstremali bangos viršūnė susidaro, kai daug linijinių ir silpnai nelinearių bangų laikinai „susikerta“ fazėse, sukurdamos trumpalaikę, bet prognozuojamą bangos formą.

Atviroje jūroje, tokioje kaip Šiaurės jūra, bangos ateina iš įvairių krypčių. Ekofisk platformos duomenys leido tiksliai nustatyti, kuri teorija geriausiai atspindi realius matavimus tūkstančiuose skirtingų jūros būsenų, įskaitant ir didžiąsias audras kaip Andrea 2007 metais.

18 metų stebėjimų Ekofisk platformoje detalės Tyrimui panaudoti didelės raiškos lazerinio altimetro duomenys, gauti Ekofisk platformoje. Matavimai buvo atlikti kas 30 minučių, kiekvienas matavimas truko pusę valandos. Iš viso surinkta apie 27 500 unikalių jūros būklės segmentų, apimančių tiek ramią jūrą, tiek intensyvias audras. Tyrime taip pat naudotos statistinės signalų apdorojimo, raštų atpažinimo ir mašininio mokymosi priemonės prognozių tikrinimui pagal stebėjimus. Vienu išskirtiniu atveju platformos kamera užfiksavo apie 17 metrų (55 pėdų) aukščio bangą per 2023 m. lapkričio 24 d. Šiaurės jūros audrą – tai leidžia pritaikyti kvazideterminizmo ir dirbtinio intelekto modelius bangos kilmės analizei.

Pagrindiniai atradimai: „rogue“ bangas sukelia konstruktyvioji interferencija Išsamūs statistiniai testai rodo, kad modulacinis nestabilumas – nors svarbus laboratorinėse sąlygose – nepaaiškina realių, daugiakrypčių, atviroje jūroje stebimų „rogue“ bangų. Šiaurės jūroje ekstremalios bangos dažniausiai atsiranda dėl konstruktyvios bangų interferencijos kvazideterminizmo rėmuose.

Konstruktyvi interferencija įvyksta, kai kelios bangų sudedamosios dalys laikinai susilygina fazėje, todėl jų viršūnės susideda ir susiformuoja kur kas didesnė banga. Šį efektą stiprina du veiksniai:

• Bangų asimetrija: bangų viršūnės aštresnės ir statesnės nei bangų dugnai gilesni, todėl linkusios sudaryti aukštas, siauras viršūnes.
• Grupavimasis: vandenyno bangos keliauja trumpalaikėmis grupėmis ar paketais. Jei susiformuoja palankus paketas, keletas mažesnių bangų susideda į išskirtinai didelę bangą, trunkančią keliasdešimt sekundžių.

Tyrimas parodė, kad milžiniškos bangos atsiranda tada, kai daug mažesnių bangų susilygina tiek erdvėje, tiek laike. Tokios bangos pasižymi kvazideterministine erdvės-laiko sandara – jų forma galima prognozuoti, bet pats įvykis yra retas dėl retai pasitaikančio fazių sutapimo.

Kodėl „rogue“ bangos negali augti be pabaigos Optimistiniai matematiniai modeliai leidžia manyti, kad, esant mažai energijos praradimui, bangų sustiprėjimo „atsitiktinumas“ sumažėja, todėl teoriškai galimos milžiniškos bangos, tačiau realybėje tikimybė jų sulaukti labai maža. Tikroje jūroje auganti banga anksčiau ar vėliau lūžta, išskirdama energiją – tai nustato tikrą fizinį bangos aukščio limitą ir yra lemiamas elementas kraštutinių bangų statistikoje.

Praktinis kvazideterminizmo taikymas Ekofisk tyrime Boccotti kvazideterminizmo teorija panaudota siekiant atpažinti bangų grupes, kurios lemia ekstremalių bangų formavimąsi. Sekdami bangų grupę, iš kurios išauga didžiausia banga, tyrėjai galėjo atsekti, kaip konstruktyvi interferencija generuoja „rogue“ bangą. 2023 m. lapkričio 24 d. užfiksuota bangos viršūnė, išanalizuota dirbtinio intelekto ir kvazidetermizmo metodais, parodė, kad banga susidarė ne dėl nelinearinės fokusavimo sąveikos, bet dėl daugkartinio smulkesnių bangų susidėjimo.

Tai rodo, kad atviroje jūroje, kur bangos ateina iš daugybės krypčių, ekstremalios bangos – tai tiesiog labai bloga diena jūroje, trumpalaikis, statistiškai nulemtas energijos susilyginimas, o ne keista netipinė nestabilumo būsena.

Praktinė reikšmė inžinerijai, prognozėms ir saugumui Atpažinti konstruktyvią interferenciją ir kvazideterminizmą kaip pagrindinius „rogue“ bangų atsiradimo mechanizmus atviroje jūroje yra labai svarbu praktikoje:

• Laivų ir platformų projektavimas: konstruktyvios interferencijos modeliai leidžia realistiškiau vertinti ekstremalių apkrovų scenarijus ir taip padidinti jūrinės infrastruktūros saugumą.
• Prognozės ir rizikos vertinimas: specializuotos bangų stebėsenos sistemos bei skaitmeniniai modeliai, įtraukiantys grupių atpažinimą, gali įspėti apie trumpalaikės rizikos langus laivybos ar jūros darbų zonose.
• Jutikliai ir stebėsenos sistemos: aukštos raiškos jutikliai ir kameros, įrengti svarbiose vietose, gali identifikuoti bangų grupavimosi tendencijas ir taip pagerinti įspėjimus.

Ekspertų požiūris Pagrindiniai tyrimo autoriai pabrėžia, kad gauti rezultatai keičia mūsų požiūrį į vandenyno ekstremumus: tai ne mįslingas atsitiktinumas, o natūrali banguotos jūros savybė. Kaip nurodė vienas tyrėjas: „Ekstremalios bangos atviroje jūroje nėra mistiški išsišokėliai, o prognozuojamas reiškinys, kai daugelis paprastų bangų trumpam susiderina. Tai tikimybinis procesas su aiškiu erdvės-laiko pėdsaku.“

Technologijos ir ateities perspektyvos Ateityje numatyta derinti dar ilgesnius in-situ duomenų rinkinius, stereo vaizdų analizę ir realaus laiko DI atpažinimą. Pažangios kryptinės bangų bojos, LIDAR altimetrija ir palydoviniai bangų spektro produktai bus jungiami siekiant stebėti bangų grupavimosi raidą didesniuose plotuose. Tobulinant bangos lūžimo ir energijos praradimo fizinius parametrus, bus patikslinti ir ekstremalių bangų prognozių skaitmeniniai modeliai.

Išvada Aštuoniolikos metų Ekofisk platformos analizė aiškiai įrodė, kad milžiniškos „rogue“ bangos atviroje jūroje dažniausiai kyla dėl konstruktyviosios interferencijos ir pasižymi kvazideterministiniais erdvės-laiko raštais. Modulacinis nestabilumas paaiškina laboratorijos sąlygas, tačiau tikrasis atvirų vandenų pavojus kyla trumpam susidėjus daugeliui įprastų bangų. Šis supratimas leidžia tiksliau vertinti jūrines rizikas ir pasitelkti naujus stebėsenos bei modelių metodus laivų ir infrastruktūros saugumui didinti.