Fale zniszczenia

W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

Kiedy nagle na oceanie pojawiają się gigantyczne fale o wysokości sięgającej 30 m, a więc wielokrotnie wyższe od pozostałych fal w otoczeniu, nawet największe jednostki pływające nie są całkowicie bezpieczne. W przeciwieństwie do tsunami, które są skutkiem silnych podmorskich trzęsień ziemi, pochodzenie niszczycielskich fal (rouge waves) nie jest znane. Nie potrafimy ich przewidywać. Wyjaśnienie mechanizmu ich powstawania ma kluczowe znaczenie dla umiejętności prognozowania, gdzie i kiedy się pojawią.

Zespół matematyków – Eric Vanden-Eijnden z New York University, Giovanni Dematteis i Miguel Onorato, obydwaj z Università degli Studi di Torino we Włoszech, oraz Tobias Grafke z University of Warwick w Wielkiej Brytanii – zaproponował nową metodę przewidywania wystąpienia niszczycielskich fal i zweryfikował ją w eksperymentach prowadzonych w dużym basenie. Ich pomysł jest oparty na matematycznej teorii wielkich odchyleń, która pozwala ocenić częstotliwość występowania rzadkich zdarzeń. Badacze potraktowali niszczycielskie fale jako obiekt statystyczny, tzw. instanton, pewnego rodzaju zaburzenie, które występuje również w obliczeniach z zakresu fizyki cząstek elementarnych, teorii informacji i zarządzania ryzykiem.

Naukowcy opisali swój model w artykule opublikowanym w grudniu ubiegłego roku (tj. 2019 r. - przyp. red.) w Physical Review X. Testy przeprowadzono w Norwegii, wykorzystując specjalny basen o długości 270 m, który był wyposażony w urządzenia do wzbudzania fal o właściwościach ustalonych przez badaczy. Zderzając ze sobą fale o wybranych parametrach, badacze zaobserwowali centymetrowe prekursory, które następnie rozwijały się w fale o wysokości pięciokrotnie większej niż pozostałe.

Z teorii wielkich odchyleń wynika, że dowolna kombinacja fal, która powoduje znaczącą zmianę wysokości, doprowadzi do powstania dużej fali o charakterystycznym kształcie, niezależnie od warunków początkowych; z matematycznej perspektywy tworzenie się fal rzadko występującego rodzaju powinno przebiegać zawsze w sposób najbardziej prawdopodobny. Pomiary wykonane w basenie doświadczalnym to potwierdzają. „Wszystkie niszczycielskie fale są do siebie podobne – stwierdza Vanden-Eijnden – ale każda zwykła fala jest zwykła na swój własny sposób”.

Model stworzony przez zespół „pozwala pogodzić ze sobą dwie najważniejsze teorie, których dotychczas używano, aby wyjaśnić powstawanie dużych i niszczycielskich fal”, wyjaśnia Alvise Benetazzo, badacz z włoskiego Instituto di Scienze Marine, który nie brał udziału w opisanej pracy. Pierwsza teoria przewiduje, że duże fale są wynikiem łączenia się i dodawania mniejszych fal, a druga, że zmiany kształtu fal wzmacniają wykładniczo różnice wysokości. Żadna z tych koncepcji nie była w stanie wyjaśnić wcześniejszych obserwacji i eksperymentów.

Nowe obliczenia tłumaczą obydwa zjawiska, których wkład zmienia się w zależności od stanu wody, a także pozwalają oszacować prawdopodobieństwo i wysokość niszczycielskich fal dla dowolnego stanu morza. Zespół wierzy, że po zaadaptowaniu modelu do rzeczywistych warunków panujących na morzach z uwzględnieniem występujących wiatrów, prądów i ruchu w dowolnym kierunku stanie się on integralnym narzędziem w systemie prognozowania dla statków, wież i platform.

„Trzeba jeszcze wykonać wiele eksperymentów, zwłaszcza poza laboratorium – wyjaśnia Benetazzo. – To najlepszy poligon doświadczalny.”

Dziękujemy, że jesteś z nami. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża najnowsze badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.