18-летнее исследование раскрыло происхождение цунами

Американские ученые из Технологического института Джорджии по результатам исследования, которое длилось в течение 18 лет, установили механизм образования гигантских разрушительных цунами.

Эти огромные волны возникают в открытом океане и существуют обычно меньше минуты, прежде чем исчезнуть. В высоту они могут достигать 20 метров и более. Сейчас их наблюдают по всему миру. Они могут представлять опасность для судоходства и прибрежных территорий.

Исследователи провели анализ высокочастотных лазерных измерений на нефтяной платформе «Экофиск» в центральной части Северного моря, которые проводились в течение 18 лет. Ученые пришли к выводу, что гигантские цунами образуются совсем неслучайно

Ученые проанализировали почти 27 тыс. 500 получасовых записей бурного моря, собранных в период с 2003 по 2020 годы. Эти записи, регистрируемые каждые полчаса, демонстрируют, насколько поднимается морская поверхность по сравнению со средним уровнем моря. Они включают данные о крупных штормах, таких как волна Андреа в 2007 году. 

При обычных условиях волны возникают из-за ветра, который дует над поверхностью моря. Это как дуть на чашку с напитком, вызывая на поверхности небольшую рябь. В море, при наличии достаточного времени и пространства, эта рябь может превратиться в большие волны.

Исследователи сосредоточились на понимании того, как волны внезапно становятся аномально большими и поднимаются над соседними меньшими волнами. Одна из гипотез предполагает, что в основе процесса лежит модуляционная неустойчивость — явление, описываемое сложными математическими моделями. Когда волны сжаты в узком канале, теория модуляционной неустойчивости хорошо описывает их волнообразное движение. Однако в условиях открытого океана эта теория уже не так эффективна. В открытых средах, таких как Северное море, волны могут свободно распространяться в разных направлениях.

Исследователи могут генерировать волны-убийцы в ограниченном канале в лабораторных условиях, где они подчиняются модуляционной неустойчивости. Однако без ограничения канала волны-убийцы обычно не подчиняются этим законам физики и не формируются так же в открытом море. 

Ученые проанализировали данные о состоянии моря, используя статистические методы для выявления закономерностей, которые лежат в основе возникновения цунами. Их результаты продемонстрировали, что аномально высокие волны образуются не вследствие модуляционной нестабильности, а из-за процесса, называемого конструктивной интерференцией. 

Конструктивная интерференция возникает, когда две волны или более сливаются в одну. Этот эффект усиливается естественной асимметрией волн, гребни которых обычно острее и круче более плоских ложбин. Цунами образуются, когда большое количество меньших волн выстраивается в ряд, а их более крутые гребни начинают накладываться друг на друга. Эти волны-убийцы поднимаются и опускаются менее чем за минуту, следуя так называемому квазидетерминированному шаблону в пространстве и времени. Этот шаблон узнается и повторяется, но с долей случайности. 

В идеальном океане этой случайности почти не должно было существовать. Это позволяло бы цунами достигать почти бесконечной высоты. Но чтобы увидеть одну такую волну, понадобилась бы целая вечность, поскольку так много волн должны были бы выстроиться идеально.

В реальном океане, по мере того, как волна набирает высоту и энергию, она не может удержаться выше определенной точки невозврата. Вершина волны переливается через край и распадается на пену, высвобождая остатки энергии. Конструктивная интерференция может происходить со многими типами волн. Общая теория, называемая квазидетерминизмом волн, разработанная океанографом Паоло Боккотти, объясняет, как образуются волны-убийцы как в океане, так и в других волновых системах.

В турбулентном потоке воды, которая течет ограниченным каналом, волны-убийцы возникают в виде кратковременных вращающихся завихрений. Между тем теория Паоло Боккотти указывает, что океанические цунами не являются абсолютно случайными и непредсказуемыми. Когда образуется действительно большая волна, окружающие ее волны следуют узнаваемому шаблону, сформированному конструктивной интерференцией. 

Исследователи применили теорию Боккотти для выявления и описания этих закономерностей в записях бурного Северного моря. Гигантские волны, наблюдаемые на этих записях, несут определенную сигнатуру и признаки ряда волн, которые могут помочь объяснить, как образуются аномально большие блуждающие волны. 

Например, 24 ноября 2023 года в Северном море произошел мощный шторм. Камера на платформе «Экофиск» зафиксировала огромную волну-убийцу высотой 17 метров. Ученые использовали теорию квазидетерминизма и модель искусственного интеллекта для исследования природы возникновения этих волн. 

Результаты анализа показали, что образование гигантской волны соответствовало теориям квазидетерминизма и конструктивной интерференции. Большая волна образовывалась из множества других, которые неоднократно накладывались друг на друга. Понимание того, как образуются волны-убийцы, может помочь инженерам и проектировщикам строить более безопасные суда и морские платформы, а также лучше прогнозировать риски.

Источники: The Conversation; ScienceAlert