18-річне дослідження розкрило походження цунамі

Американські науковці з Технологічного інституту Джорджії за результатами дослідження, яке тривало протягом 18 років, встановили механізм утворення гігантських руйнівних цунамі.

Ці величезні хвилі виникають у відкритому океані і існують зазвичай менше хвилини, перш ніж зникнути. Заввишки вони можуть сягати 20 метрів і більше. Наразі їх спостерігають по всьому світу. Вони можуть представляти небезпеку для судноплавства та прибережних територій.

Дослідники провели аналіз високочастотних лазерних вимірів на нафтовій платформі “Екофіск” у центральній частині Північного моря, які проводились протягом 18 років. Науковці дійшли висновку, що гігантські цунамі утворюються зовсім невипадково. 

Науковці проаналізували майже 27 тис. 500 півгодинних записів бурхливого моря, зібраних у період з 2003 по 2020 роки. Ці записи, що реєструються кожні півгодини, демонструють, наскільки підіймається морська поверхня порівняно з середнім рівнем моря. Вони включають дані про великі шторми, такі як хвиля Андреа в 2007 році. 

За звичайних умов хвилі виникають через вітер, який дме над поверхнею моря. Це як дути на чашку із напоєм, викликаючи на поверхні невеликі брижі. У морі, за наявності достатнього часу і простору, ця бриж може перетворитися на великі хвилі.

Дослідники зосередились на розумінні того, як хвилі раптово стають аномально великими і підіймаються над сусідніми меншими хвилями. Одне з припущень передбачає, що в основі процесу лежить модуляційна нестійкість — явище, що описується складними математичними моделями. Коли хвилі стиснуті у вузькому каналі, теорія модуляційної нестійкості добре описує їх хвилеподібний рух. Однак в умовах відкритого океану ця теорія вже не така ефективна. У відкритих середовищах, таких як Північне море, хвилі можуть вільно поширюватись у різних напрямках.

Дослідники можуть генерувати хвилі-вбивці в обмеженому каналі в лабораторних умовах, де вони підкоряються модуляційної нестійкості. Однак без обмеження каналу хвилі-вбивці зазвичай не підкоряються цим законам фізики і не формуються так само у відкритому морі. 

Науковці проаналізували дані про стан моря, використовуючи статистичні методи для виявлення закономірностей, які лежать в основі виникнення цунамі. Їхні результати продемонстрували, що аномально високі хвилі утворюються не внаслідок модуляційної нестабільності, а через процес, який називається конструктивною інтерференцією. 

Конструктивна інтерференція виникає, коли дві хвилі або більше зливаються в одну. Цей ефект посилюється природною асиметрією хвиль, гребені яких зазвичай гостріші та крутіші за більш пласкі улоговини. Цунамі утворюються, коли велика кількість менших хвиль вишикується в ряд, а їхні більш круті гребні починають накладатись один на одного. Ці хвилі-вбивці підіймаються і опускаються менш ніж за хвилину, дотримуючись так званого квазідетермінованого шаблону в просторі та часі. Цей шаблон впізнається і повторюється, але з часткою випадковості.

В ідеальному океані цієї випадковості майже не повинно було існувати. Це дозволяло б цунамі досягати майже нескінченної висоти. Але щоб побачити одну таку хвилю, знадобилася б ціла вічність, оскільки так багато хвиль мали б вишикуватися ідеально.

У реальному океані, у міру того, як хвиля набирає висоту та енергію, вона не може утриматись вище певної точки неповернення. Верхівка хвилі переливається через край і розпадається на піну, вивільняючи залишки енергії. Конструктивна інтерференція може відбуватися з багатьма типами хвиль. Загальна теорія, звана квазідетермінізмом хвиль, розроблена океанографом Паоло Боккотті, пояснює, як утворюються хвилі-вбивці як в океані, так і в інших хвильових системах.

У турбулентному потоці води, яка тече обмеженим каналом, хвилі-вбивці виникають у вигляді короткочасних завихрень, що обертаються. Між тим теорія Паоло Боккотті вказує, що океанічні цунамі не є абсолютно випадковими та непердбачуваними. Коли утворюється справді велика хвиля, оточуючі її хвилі слідують впізнаваному шаблону, сформованому конструктивною інтерференцією. 

Дослідники застосували теорію Боккотті для виявлення та опису цих закономірностей у записах бурхливого Північного моря. Гігантські хвилі, які спостерігаються на цих записах, несуть певну сигнатуру та ознаки низки хвиль, які можуть допомогти пояснити, як утворюються аномально великі блукаючі хвилі. 

Наприклад, 24 листопада 2023 року у Північному морі стався потужний шторм. Камера на платформі «Екофіск» зафіксувала величезну хвилю-вбивцю заввишки 17 метрів. Науковці використали теорію квазідетермінізму та модель штучного інтелекту для дослідження природи виникнення цих хвиль. 

Результати аналізу показали, що утворення гігантської хвилі відповідало теоріям квазідетермінізму та конструктивної інтерференції. Велика хвиля утворювалась з безлічі інших, які неодноразово накладались одна на одну. Розуміння того, як утворюються хвилі-вбивці, може допомогти інженерам і проектувальникам будувати безпечніші судна та морські платформи, а також краще прогнозувати ризики.

Джерела: The Conversation; ScienceAlert