Хвилі-вбивці

Фотографія великої хвилі, що насувається на торгове судно. Приблизно 1940-ті роки

Хвилі-вбивці (Блукаючі хвилі, хвилі-монстри, біла хвиля, англ. rogue wave - Хвиля-розбійник, freak-wave - Дивна хвиля, хвиля-урод; фр. onde scelerate - Хвиля-лиходійка, galejade - Погана жарт, розіграш) - гігантські поодинокі хвилі, що виникають в океані, висотою 20-30 (а іноді і більше) метрів, і володіють нехарактерним для морських хвиль поведінкою. Справжні "хвилі-вбивці", які становлять небезпеку для суден і морських споруд: конструкції судна, що зустрівся з такою хвилею, можуть не витримати величезного тиску обрушилася на нього води (до 980 кПа, 9,7 атм), і судно затоне за лічені хвилини.

Важлива обставина, яка дозволяє виділити феномен хвиль-убивць в окрему наукову та практичну тему, і відокремити від інших явищ, пов'язаних з хвилями аномально великої амплітуди (наприклад, цунамі), - поява "хвиль-убивць" з нізвідки. На відміну від цунамі, що виникають в результаті підводних землетрусів або зсувів і набирающими велику висоту лише на мілководді, поява "хвиль-убивць" не пов'язане з катастрофічними геофізичними подіями. Ці хвилі можуть з'являтися при малих вітрах і відносно слабкому хвилюванні, що призводить до ідеї про те, що саме явище "хвиль-убивць" пов'язано з особливостями динаміки самих морських хвиль і їх трансформації при розповсюдженні в океані [1].

Довгий час блукаючі хвилі вважалися вигадкою, так як вони не вкладалися в одну математичну модель виникнення та поведінки морських хвиль (з точки зору класичної океанології, хвилі висотою більше 20,7 метрів існувати в океанах Землі не можуть) , А також не знаходилося достатньої кількості достовірних свідчень. Однак 1 січня 1995 року на нафтовій платформі "Дропнер" у Північному морі біля узбережжя Норвегії була вперше приладно зафіксована хвиля заввишки в 25,6 метрів, названа хвилею Дропнера. Подальші дослідження в рамках проекту MaxWave ("Максимальна хвиля"), який передбачав моніторинг поверхні світового океану за допомогою радарних супутників ERS-1 і ERS-2 Європейського космічного агентства (ESA), зафіксували за три тижні по всій земній кулі більше 10 одиночних гігантських хвиль, висота яких перевищувала 25 метрів. Ці дослідження змушують по-новому розглянути причини загибелі за минулі два десятиліття судів такого розміру, як контейнеровози і супертанкери, включивши в число можливих причин і хвилі-вбивці.

Новий проект отримав назву Wave Atlas (Атлас хвиль) і передбачає складання всесвітнього атласу спостерігалися хвиль-убивць і статистичну його обробку.


1. Причини виникнення

Можливо, причиною виникнення гігантських одиночних хвиль є рух з деякою певною швидкістю фронту високого атмосферного тиску в напрямку зони низького тиску (розширення зони високого тиску), як це описується в роботі Шумилова В. Н. [2]. При такому "настання" фронту високого тиску виникає явище, майже аналогічне нагін води на мілководну східну частину Балтійського моря, коли рівень води в Неві в Санкт-Петербурзі піднімається на кілька метрів.

Іншою можливою причиною називаються інтерференційні максимуми при накладенні розповсюджуються в водної товщі хвиль різної спрямованості. Найбільш вірогідними зонами утворення хвиль в цьому випадку називаються зони морських течій, так як в них хвилювання, викликані неоднорідністю течії і нерівностями дна, найбільш постійні та інтенсивні.

Ще однією причиною виникнення таких хвиль може бути різниця в енергетичних потенціалах різних шарів води, яка за певних обставин "розряджається", як в атмосфері під час грози або смерчу. Верхній шар води, насичуючись киснем, накопичує позитивний електричний потенціал, а глибинні шари, що містять в собі розчинений метан, низьковалентних оксиди заліза, марганцю і т. д., негативний, при певних умовах ця енергія може викликати обурення і рух великих мас води. Корабель, підводний човен, який-небудь предмет, удар блискавки, сплеск або ще щось, може просто замкнути контакти в схемі і запустити "хвильової двигун", і він зможе працювати як "на всмоктування", з всмоктуючої воронкою, так і на виштовхування маси води на поверхню. [Джерело не вказано 86 днів]

Цікаво, що такі хвилі можуть бути як гребенями, так і западинами, що підтверджується очевидцями. Подальше дослідження привертає ефекти нелінійності в вітрових хвилях, здатні призводити до утворення невеликих груп хвиль ( пакетів) або окремих хвиль ( солітонів), здатних проходити великі відстані без значної зміни своєї структури. Подібні пакети також неодноразово спостерігалися на практиці. Характерними особливостями таких груп хвиль, підтверджуючими дану теорію, є те, що вони рухаються незалежно від іншого хвилювання і мають невелику ширину (менше 1 км), причому висоти різко спадають по краях.


2. Чисельне моделювання хвиль-убивць

Чисельне моделювання хвилі-вбивці

Пряме моделювання хвиль-убивць було зроблено в роботах В. Є. Захарова, В. І. Дьяченко, Р. В. Шамина. [3] [4] Чисельно вирішувалися рівняння, що описують нестаціонарне протягом ідеальної рідини з вільною поверхнею. Використовуючи особливий вид рівнянь, вдалося проводити обчислення з великою точністю і на великих часових інтервалах. У ході численних експериментів були отримані характерні профілі для хвиль-убивць, добре узгоджуються з експериментальними даними.

В ході великої серії обчислювальних експериментів по моделюванню динаміки поверхневих хвиль ідеальної рідини, що мають характерні для океану фізичні параметри, були побудовані емпіричні функції частот виникнення хвиль-убивць в залежності від крутизни (~ енергії) і дисперсії початкових даних. [5]


3. Експериментальне спостереження

Експериментальна демонстрація генерації та деструктивного впливу хвилі-вбивці в хвильовому басейні [6]

Однією з проблем у вивченні хвиль-убивць є складність їх отримання в лабораторних умовах. В основному дослідники змушені працювати з даними, отриманими при спостереженнях в природних умовах, причому такі дані досить обмежені в силу непередбачуваного характеру виникнення хвилі-вбивці.

У 2010 році вперше експериментально були отримані солітони-брізери Перегрина, що є, на думку багатьох учених, можливим прототипом хвиль-убивць. Ці солітони, що є приватним рішенням нелінійного рівняння Шредінгера, були отримані для оптичної системи [7], проте вже в 2011 році ці ж солітони були отримані і для хвиль на воді [8]. У 2012 році в ще одному експерименті ученим вдалося експериментально продемонструвати генерацію солітону-брізера більш високого порядку, для якого амплітуда в п'ять разів перевищує амплітуду фонового хвилювання [6].


4. Відомі випадки

  • У квітні 1966 року в середній Атлантиці італійський трансатлантичний лайнер Michelangelo піддався удару білої хвилі, двох пасажирів змило в море, 50 поранено. Корабель отримав серйозні пошкодження носової частини і одного з бортів.
  • У вересні 1995 року британський трансатлантичний лайнер " Королева Елізабет 2 "в Північній Атлантиці під час урагану Луїса спробував" осідлати "29-метрову хвилю, яка з'явилася прямо по курсу.

5. Хвилі-вбивці в мистецтві

  • У фільмі " Посейдон " 2006, жертвою хвилі-вбивці став пасажирський лайнер "Посейдон", що йде в Атлантичному океані в новорічну ніч. Вільний корабель перевернуло кілем вгору, і через кілька годин він затонув.
  • Фільм Рідлі Скотта "Білий Шквал" розповідає про загибель навчального судна від раптового шквалу з подальшим виникненням величезної хвилі.
  • " Ідеальний шторм "- пригодницька драма, заснована на реальних подіях, що сталися під час урагану" Грейс "на узбережжі Америки.

Примітки

  1. http://www.geogr.msu.ru/science/aero/acenter/int_sem7/waves.htm - www.geogr.msu.ru/science/aero/acenter/int_sem7/waves.htm
  2. Шумілов В. Н. Орбітальний моніторинг цунамі. Частина 1 - www.shumilov.kiev.ua / tsunami / tsunami.htm
  3. Р.В.Шамін Про існування гладких рішень рівнянь Дьяченко, описують несталі течії ідеальної рідини з вільною поверхнею. - www.shamin.ru/papers/shamindan06.pdf / / Доповіді Російської академії наук. - 2006. - Т. 406. - № 5. - С. 112-113.
  4. AI Dyachenko, VE Zakharov On The Formation Of Freak Waves On The Surface Of Deep Water. - www.jetpletters.ac.ru/ps/1847/article_28197.pdf / / Pis'ma v ZhETF. - 2008. - Т. 88. - № 5. - С. 356-359.
  5. В. Є. Захаров, Р. В. Шамін Про ймовірність виникнення хвиль-убивць. - www.jetpletters.ac.ru/ps/1890/article_28742.pdf / / Pis'ma v ZhETF. - 2010. - Т. 91. - № 2. - С. 68-71.
  6. 1 2 A. Chabchoub, N. Hoffmann, M. Onorato, and N. Akhmediev Super Rogue Waves: Observation of a Higher-Order Breather in Water Waves - prx.aps.org/abstract/PRX/v2/i1/e011015 (Англ.) / / Phys. Rev. X. - 2012. - Vol. 2. - P. 011015. - DOI : 10.1103/PhysRevX.2.011015 - dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.2.011015
  7. B. Kibler, J. Fatome, C. Finot, G. Millot, F. Dias, G. Genty, N. Akhmediev & JM Dudley The Peregrine Soliton In Nonlinear Fibre Optics - www.nature.com/nphys/journal/v6/n10/full/nphys1740.html (Англ.) / / Nature Physics. - 2010. - Vol. 6. - P. 790-795. - DOI : 10.1038/nphys1740 - dx.doi.org/10.1038/nphys1740
  8. A. Chabchoub, N. Hoffmann, and N. Akhmediev Rogue Wave Observation In A Water Wave Tank - prl.aps.org/abstract/PRL/v106/i20/e204502 (Англ.) / / Phys.Rev.Lett.. - 2011. - Vol. 106. - P. 204502. - DOI : 10.1103/PhysRevLett.106.204502 - dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.204502
  9. КП: Звідки беруться хвилі-вбивці? - www.kp.ru/daily/23367/32359/