Волны-убийцы

Фотография большой волны, надвигающейся на торговое судно. Приблизительно 1940-е годы

Волны-убийцы (Блужда́ющие во́лны, волны-монстры, белая волна, англ. rogue wave — волна-разбойник, freak-wave — волна-придурок, отморозок; фр. onde scelerate — волна-злодейка, galejade — дурная шутка, розыгрыш) — гигантские одиночные волны, возникающие в океане, высотой 20—30 (а иногда и больше) метров, и обладающие нехарактерным для морских волн поведением. Настоящие «волны-убийцы», представляющие опасность для судов и морских сооружений: конструкции судна, встретившегося с такой волной, могут не выдержать громадного давления обрушившейся на него воды (до 980 кПА, 9,7 атм), и судно затонет за считанные минуты.

Важное обстоятельство, которое позволяет выделить феномен волн-убийц в отдельную научную и практическую тему, и отделить от других явлений, связанных с волнами аномально большой амплитуды (например, цунами), — появление «волн-убийц» из ниоткуда. В отличие от цунами, возникающих в результате подводных землетрясений или оползней и набирающими большую высоту лишь на мелководье, появление «волн-убийц» не связано с катастрофическими геофизическими событиями. Эти волны могут появляться при малых ветрах и относительно слабом волнении, что приводит к идее о том, что само явление «волн-убийц» связано с особенностями динамики самих морских волн и их трансформации при распространении в океане^[1].

Долгое время блуждающие волны считались вымыслом, так как они не укладывались ни в одну математическую модель возникновения и поведения морских волн (с точки зрения классической океанологии, волны высотой более 20,7 метров существовать в океанах Земли не могут)^{[источник не указан 249 дней]}, а также не находилось достаточного количества достоверных свидетельств. Однако 1 января 1995 года на нефтяной платформе «Дропнер» в Северном море у побережья Норвегии была впервые приборно зафиксирована волна высотой в 25,6 метров, названная волной Дропнера . Дальнейшие исследования в рамках проекта MaxWave («Максимальная волна»), который предусматривал мониторинг поверхности мирового океана с помощью радарных спутников ERS-1 и ERS-2 Европейского космического агентства (ESA), зафиксировали за три недели по всему земному шару более 10 одиночных гигантских волн, высота которых превышала 25 метров. Эти исследования заставляют по-новому рассмотреть причины гибели за прошлые два десятилетия судов такого размера, как контейнеровозы и супертанкеры, включив в число возможных причин и волны-убийцы.

Новый проект получил название Wave Atlas (Атлас волн) и предусматривает составление всемирного атласа наблюдавшихся волн-убийц и статистическую его обработку.

Причины возникновения

Возможно, причиной возникновения гигантских одиночных волн является движение с некоторой определенной скоростью фронта высокого атмосферного давления в направлении зоны низкого давления (расширение зоны высокого давления), как это описывается в работе Шумилова В. Н.^[2]. При таком «наступлении» фронта высокого давления возникает явление, почти аналогичное нагону воды на мелководную восточную часть Балтийского моря, когда уровень воды в Неве в Санкт-Петербурге поднимается на несколько метров.

Другой возможной причиной называются интерференционные максимумы при наложении распространяющихся в водной толще волн разной направленности. Наиболее вероятными зонами образования волн в этом случае называются зоны морских течений, так как в них волнения, вызванные неоднородностью течения и неровностями дна, наиболее постоянны и интенсивны.

Еще одной причиной возникновения таких волн может быть разница в энергетических потенциалах разных слоев воды, которая при определенных обстоятельствах «разряжается», как в атмосфере во время грозы или смерча. Верхний слой воды, насыщаясь кислородом, накапливает положительный электрический потенциал, а глубинные слои, содержащие в себе растворенный метан, низковалентные оксиды железа, марганца и т. д., отрицательный, при определенных условиях эта энергия может вызывать возмущения и движение больших масс воды. Корабль, подводная лодка, какой-нибудь предмет, удар молнии, всплеск или еще что-то, может просто замкнуть контакты в схеме и запустить «волновой двигатель», и он сможет работать как «на всасывание», со всасывающей воронкой, так и на выталкивание массы воды на поверхность.^{[источник не указан 21 день]}

Интересно, что такие волны могут быть как гребнями, так и впадинами, что подтверждается очевидцами. Дальнейшее исследование привлекает эффекты нелинейности в ветровых волнах, способные приводить к образованию небольших групп волн (пакетов) или отдельных волн (солитонов), способных проходить большие расстояния без значительного изменения своей структуры. Подобные пакеты также неоднократно наблюдались на практике. Характерными особенностями таких групп волн, подтверждающими данную теорию, является то, что они движутся независимо от прочего волнения и имеют небольшую ширину (менее 1 км), причем высоты резко спадают по краям.

Численное моделирование волн-убийц

Численное моделирование волны-убийцы

Прямое моделирование волн-убийц было предпринято в работах В. Е. Захарова, В. И. Дьяченко, Р. В. Шамина.^[3][4] Численно решались уравнения, описывающие нестационарное течение идеальной жидкости со свободной поверхностью. Используя особый вид уравнений, удалось проводить вычисления с большой точностью и на больших временных интервалах. В ходе численных экспериментов были получены характерные профили для волн-убийц, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными.

В ходе большой серии вычислительных экспериментов по моделированию динамики поверхностных волн идеальной жидкости, имеющих характерные для океана физические параметры, были построены эмпирические функции частот возникновения волн-убийц в зависимости от крутизны (~энергии) и дисперсии начальных данных.^[5]

Экспериментальное наблюдение

Экспериментальная демонстрация генерации и деструктивного воздействия волны-убийцы в волновом бассейне^[6]

Одной из проблем в изучении волн-убийц является сложность их получения в лабораторных условиях. В основном исследователи вынуждены работать с данными, полученными при наблюдениях в естественных условиях, причём такие данные весьма ограничены в силу непредсказуемого характера возникновения волны-убийцы.

В 2010 году впервые экспериментально были получены солитоны-бризеры Перегрина, являющиеся, по мнению многих учёных, возможным прототипом волн-убийц. Эти солитоны, являющиеся частным решением нелинейного уравнения Шрёдингера, были получены для оптической системы^[7], однако уже в 2011 году эти же солитоны были получены и для волн на воде^[8]. В 2012 году в ещё одном эксперименте учёным удалось экспериментально продемонстрировать генерацию солитона-бризера более высокого порядка, для которого амплитуда в пять раз превышает амплитуду фонового волнения^[6].

Известные случаи

• Утром 7 февраля 1933 года на корабль ВМС США «Рамапо», который следовал из Манилы в Сан-Диего, обрушилась волна высотой 34 метра.^[9]

• В апреле 1966 года в средней Атлантике итальянский трансатлантический лайнер Michelangelo подвергся удару белой волны, двух пассажиров смыло в море, 50 ранено. Корабль получил серьёзные повреждения носовой части и одного из бортов.

• В сентябре 1995 года британский трансатлантический лайнер «Королева Элизабет 2» в Северной Атлантике во время урагана Луиса попытался «оседлать» 29-метровую волну, появившуюся прямо по курсу.

Волны-убийцы в искусстве

• В фильме «Посейдон» 2006 года, жертвой волны-убийцы стал пассажирский лайнер «Посейдон», идущий в Атлантическом океане в новогоднюю ночь. Волной корабль перевернуло килем вверх, и через несколько часов он затонул.
• Фильм Ридли Скотта «Белый Шквал» рассказывает о гибели учебного судна от внезапного шквала с последующим возникновением огромной волны.
• «Идеальный шторм» — приключенческая драма, основанная на реальных событиях, которые произошли во время урагана «Грейс» на побережье Америки.

Примечания

1. ↑ http://www.geogr.msu.ru/science/aero/acenter/int_sem7/waves.htm
2. ↑ Шумилов В. Н. Орбитальный мониторинг цунами. Часть 1
3. ↑ Р.В.Шамин О существовании гладких решений уравнений Дьяченко, описывающих неустановившиеся течения идеальной жидкости со свободной поверхностью. // Доклады Российской академии наук. — 2006. — Т. 406. — № 5. — С. 112–113.
4. ↑ A. I. Dyachenko, V. E. Zakharov On the Formation of Freak Waves on the Surface of Deep Water. // Pis'ma v ZhETF. — 2008. — Т. 88. — № 5. — С. 356–359.
5. ↑ В. Е. Захаров, Р. В. Шамин О вероятности возникновения волн-убийц. // 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 (англ.) // Phys. Rev. X. — 2012. — Vol. 2. — P. 011015. — DOI:10.1103/PhysRevX.2.011015
7. ↑ B. Kibler, J. Fatome, C. Finot, G. Millot, F. Dias, G. Genty, N. Akhmediev & J. M. Dudley The Peregrine soliton in nonlinear fibre optics (англ.) // Nature Physics. — 2010. — Vol. 6. — P. 790—795. — DOI:10.1038/nphys1740
8. ↑ A. Chabchoub, N. Hoffmann, and N. Akhmediev Rogue Wave Observation in a Water Wave Tank (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2011. — Vol. 106. — P. 204502. — DOI:10.1103/PhysRevLett.106.204502
9. ↑ КП: Откуда берутся волны-убийцы?

Ссылки

• Пелиновский Е. Н., Слюняев А. В. «Фрики» — морские волны-убийцы // Природа, № 3, 2007.
• С.Бадулин, А.Иванов, А.Островский. Влияние гигантских волн на безопасность морской добычи и транспортировки углеводородов
• Орбитальный мониторинг цунами
• Шумилов В. Н.
• Куркин А. А., Пелиновский Е. Н. «Волны-убийцы: факты, теория и моделирование», Нижегород. гос. тех. ун-т. Н.Новгород, 2004.
• Космические исследования океана