Netikėtos bangos Šiaurės jūroje: tyrimas atskleidžia jų susidarymo priežastis

Netikėtos bangos – išskirtinai aukštos ir retos vandenyno bangos, siekiančios daugiau kaip 20 metrų aukštį – ilgą laiką buvo laikomos jūrininkų padavimais. Tačiau šiandien jau pripažinta, kad šios milžiniškos bangos yra realus fenomenas, keliantis rimtą pavojų laivams, naftos platformoms ir visai jūrinei infrastruktūrai. Nauja 18 metų trukmės aukštos raiškos jūros būklės matavimų analizė Ekofisko naftos platformoje centrinėje Šiaurės jūroje iš esmės keičia mūsų supratimą, kaip susiformuoja šie vandenyno milžinai.

Tyrimas, paskelbtas žurnale „Nature Scientific Reports“, apjungė įvairių sričių – okeanografijos, statistikos ir duomenų mokslo – specialistus. Pasinaudojant bene išsamiausia šio tipo į jūrą nukreiptų matavimų duomenų baze – beveik 27 500 pusvalandžio jūros būklės įrašų nuo 2003 iki 2020 metų – nustatyta, kad netikėtos bangos kyla ne iš niekur, o pasireiškia pagal aiškius fizinius procesus atviroje jūroje.

Mokslinis pagrindas: nuo vėjo bangų iki ekstremalių reiškinių

Įprastomis sąlygomis vėjas perduoda energiją vandenyno paviršiui, sukeldamas įvairių bangų spektrą, kurios auga ir sąveikauja. Per ilgą laiką net mažos bangelės gali peraugti į dideles bangas. Siekiant paaiškinti, kaip itin stiprios bangos atsiranda tokioje aplinkoje, dažniausiai išskiriami du pagrindiniai mechanizmai:

• Moduliacinis nestabilumas: nelinikinis efektas, dažnai stebimas siauruose, ribotuose bangų kanaluose laboratorijose. Čia energija gali susikaupti į vieną ypač didelę bangą.
• Konstruktyvioji interferencija ir kvazideterminizmas: statistinis požiūris, kuriam pagrindą padėjo Paolo Boccotti. Pagal šį modelį ekstremalios bangos kyla, kai daugybės skirtingų bangų fazės trumpam sutampa ir taip sukuria trumpalaikį, nuspėjamą bangos pavidalą erdvėje bei laike.

Atviruose vandenyse, tokiuose kaip Šiaurės jūra, bangos juda iš įvairių krypčių ir nėra apribotos vienu propagacijos keliu. Ekofisko duomenų bazė suteikė galimybę įvertinti, kuris iš teorinių modelių atitinka tikrus tūkstančių skirtingų jūros būklių, įskaitant didžiąsias audras, pavyzdžiui, 2007-ųjų Andreos įvykį, matavimus.

Ekofisko misija ir matavimų detalės: 18 metų duomenys

Šio tyrimo pagrindą sudaro aukštos dažninės raiškos lazerinio altimetro duomenys, užfiksuoti Ekofisko platformoje. Matavimai buvo atliekami kas pusvalandį, o kiekvienas įrašas apėmė pusvalandžio laiko atkarpą. Iš viso surinkta beveik 27 500 unikalių jūros būklės segmentų, kuriuose atsispindi tiek ramios, tiek audros sąlygos.

Papildomai buvo taikomi statistinio signalo apdorojimo, raštų atpažinimo bei dirbtinio intelekto modeliai, leidę patikrinti teorinius spėjimus pagal matavimų duomenis. Vienu ypatingu atveju 2023 m. lapkričio 24 d. platformos kamera užfiksavo apie 17 metrų (55 pėdų) aukščio bangą – šis įvykis tapo konkrečiu pavyzdžiu, taikant kvazideterminizmo ir AI analizės metodus siekiant suprasti netikėtos bangos susiformavimą.

Pagrindinės išvados: konstruktyvioji interferencija lemia netikėtas bangas

Nuodugnūs statistiniai tyrimai parodė, kad moduliacinis nestabilumas – nors svarbus laboratoriniuose bandymuose – atviroje, daugiakryptėje jūroje neprognozuoja netikėtų bangų. O štai stebėti ekstremalūs reiškiniai daugiausia paaiškinami konstruktyviosios interferencijos principais kvazideterminizmo rėmuose.

Konstruktyvioji interferencija pasireiškia tada, kai kelios bangų dedamosios trumpam susilygina fazėje, sukurdamos daug didesnę bangos keterą. Du svarbūs reiškiniai sustiprina šį efektą:

• Bangų asimetrija: vandenyno bangos keteros dažniausiai staigesnės ir statesnės nei dugnai – dėl to net trumpalaikis bangų susidėjimas dažniau iššaukia aukštą ir siaurą keterą.
• Grupavimasis: bangos keliauja trumpalaikėmis grupėmis arba paketais. Palankiai susiklosčius, nedidelių bangų seka gali susidėti į išskirtinai didelę keterą, trunkančią keliasdešimt sekundžių.

Tyrimas parodė, kad netikėtos bangos atsiranda tada, kai įprastos bangos trumpam „susirikiuoja“ į vieną vietą. Tokie įvykiai pasižymi kvazideterminizmo erdvine-laikine struktūra – ypatinga banga turi atpažįstamą formą, tačiau įvyksta retai ir netikėtai.

Kodėl netikėtos bangos netampa begalinės

Teoriniai modeliai, kuriuose numatyta minimali energijos sklaida, leidžia manyti, kad bangų susidėjimas galėtų augti iki labai didelio aukščio, tačiau tikėtina jų pasirodymo tikimybė būtų labai maža. Tačiau realiame vandenyne egzistuoja aiškūs apribojimai: augant keterai, banga galiausiai lūžta, išsklaidydama energiją ir sustabdydama tolimesnį augimą. Bangos lūžimas nustato natūralią „lubą“ netikėtos bangos aukščiui ir yra esminis veiksnys, formuojantis didžiausių bangų statistiką.

Kvazideterminizmo taikymas matuotiems įvykiams

Ekofisko tyrime buvo taikyta Boccotti kvazideterminizmo teorija bangų grupių pėdsakams nustatyti realiuose matavimuose. Sekant bangų grupę, pradedančią ekstremalią keterą, tyrėjai galėjo atkurti, kaip konstruktyvioji interferencija lėmė netikėtos bangos susiformavimą. 2023 m. lapkričio audros atveju AI raštų atpažinimo modelis parodė, kad 17 metrų ketera išaugo ne dėl nelygiagrečių procesų laboratorinėmis sąlygomis, o dėl pasikartojančio mažesnių bangų susidėjimo natūralioje aplinkoje.

Ši interpretacija leidžia daryti išvadą, jog natūraliuose, atviroje jūroje susidarančiuose sąlygose, netikėtos bangos dažniausiai yra „ypač nesėkmingos dienos jūroje“ rezultatas, – trumpalaikės energetinės sankaupos, susiformavusios pagal įprastą bangų statistiką, o ne išskirtinio fizinio reiškinio padarinys.

Svarba inžinerijai, prognozavimams ir saugai

Pripažinus konstruktyviosios interferencijos ir kvazideterminizmo svarbą netikėtų bangų susidarimui, atsiveria naujos galimybės:

• Jūrinė inžinerija: laivų ir platformų projektuotojai gali naudoti probabilistinius modelius, pagrįstus kvazideterminizmo ženklais, tiksliau vertindami didžiausias apkrovas. Žinodami tipišką netikėtos bangos formą, jie gali tinkamiau įvertinti statinių saugumą.
• Prognozavimas ir rizikos valdymas: bangų stebėjimo sistemos ir skaitmeniniai bangų modeliai, įtraukdami bangų grupių aptikimą ir raštų atpažinimą, gali įspėti apie padidėjusį momentinį pavojų jūroje ar platformose.
• Jutiklių ir stebėjimo sprendimų kūrimas: tikslinė aukštos raiškos įranga bei kameros svarbiose vietose padės laiku aptikti bangų grupes, galinčias suformuoti retą kraštinę bangą, ir pagerins įspėjimų sistemą.

Ekspertų požiūris

Tyrimo autoriai pabrėžia, kad rezultatai keičia suvokimą apie jūrines ekstremalias bangas nuo mistinių anomalijų prie nuspėjamų, natūralių procesų. Kaip apibendrina vienas tyrėjas: „Netikėtos bangos atviroje jūroje – tai ne mistiniai išskirtinumai, o statistiškai laukiami rezultatai, kai įprastos bangos trumpam susilygiuoja. Tai probabilistinis procesas, turintis atpažįstamą erdvės-laiko pėdsaką.“

Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos

Ateityje planuojama derinti ilgesnio laikotarpio jūros būklės duomenis, paviršiaus stereo-vaizdavimo technologijas bei realaus laiko AI sistemų pritaikymą ankstyviems įspėjimams. Tobulinami kryptiniai bangų plūdurai, LIDAR altimetrija platformose bei palydovinės bangų stebėjimo priemonės bus integruojamos plačiam bangų grupių stebėjimui. Patobulinti fiziniai bangų lūžimo ir energijos sklaidos modeliai padės tiksliau prognozuoti ekstremalių bangų tikimybę.

Išvada

18 metų Ekofisko duomenų analizė atskleidė tvirtą įrodymą, kad milžiniškos netikėtos bangos dažniausiai kyla dėl konstruktyviosios interferencijos ir turi kvazideterminizmo nulemtus erdvės-laiko bruožus. Moduliacinio nestabilumo svarba apsiriboja laboratoriniais kanalais, o atviroje, įvairiakryptėje jūroje vyrauja laikinas įprastų bangų susidėjimas. Šis atradimas gerina jūrinių pavojų vertinimą ir skatina vystyti veiksmingas stebėsenos bei prognozės priemones laivams ir jūrinei infrastruktūrai.