Физики воспроизвели зарождение волны-убийцы в лаборатории

Британские и австралийские физики воспроизвели в лабораторных условиях зарождение океанских волн-убийц — опасных отвесных одиночных волн высотой 20–30 метров. Оказалось, что формирование таких волн может происходить при пересечении двух поверхностных волн относительно небольшой амплитуды под большим углом — от 60 до 120 градусов. В этом эксперименте удалось ближе всего на данный момент подойти к параметрам тех волн-убийц, которые наблюдались в природе, пишут ученые в Journal of Fluid Mechanics.

Волнами-убийцами (по-английски для их обозначения обычно используют термины rogue wave или freak wave) называют гигантские одиночные волны высотой в 20–30 метров, которые внезапно зарождаются в океане на фоне небольшого волнения и обладают совершенно непредсказуемым и нехарактерным для других океанских волн поведением. Эти волны представляют очень большую опасность для судоходства, но при этом причины их появления и закономерности поведения до сих пор точно не описаны. Долгое время волны-убийцы вообще считалась мифом, а впервые официально зафиксировано это явление было только в 1995 году на нефтяной платформе «Дропнер» в Северном море, когда удалось поймать внезапное возникновение волны высотой 25,6 метра. До сих пор не существуют приборов, которые могут сообщать о зарождении таких волн заблаговременно, лишь некоторые модели позволяют предсказать появление волн-убийц за несколько минут до их формирования.

Физикам из Великобритании и Австралии под руководством Тона ван ден Бремера (Ton S. van den Bremer) из Оксфордского университета удалось сделать значительный шаг в изучении этого явления: зарождение волны, по своим параметрам очень близкой к волне Дропнера, ученые смогли воспроизвести в лабораторном эксперименте. Эксперимент проводился на установке по изучению крупных волн в Эдинбургском университете, которая представляет из себя цилиндрический водный резервуар диаметром 25 метров и глубиной 2 метра, по стенкам которого установлено 168 активных источников волн.

Внимательно изучив данные о волне-убийце 1995 года, ученые предложили представить волну как сумму двух сталкивающихся сравнительно слабых поверхностных волн — основной волны и дополнительной волны меньшей амплитуды, направленной к первой под определенным углом. При правильно подобранных амплитудных спектрах каждой волны в этой системе действительно может внезапно возникать одиночная волна, по своим параметрам совпадающая с волной Дропнера. Подобная гипотеза для описания волн-убийц была предложена еще в 2011 году, однако сейчас впервые этот подход удалось проверить экспериментально. Ученые проварьировали угол между основной и дополнительной волной и обнаружили, что для образования одиночной волны с нужной амплитудой угол между двумя начальными волнами должен быть довольно большим и составлять от 60 до 120 градусов. В остальных случаях нужная волна формироваться не будет. Однако если этот угол принимает нужное значение, то параметры формирующейся волны становятся очень близки к данным измерений — наилучшее соответствие физики наблюдали для угла в 120 градусов.

По словам авторов работы, предложенная ими схема дает результаты, более близкие к данным, полученным на станции «Дропнер», по сравнению с другими моделями (в частности, модели с однонаправленными волнами, предложенной и проверенной около десяти лет назад). В частности, это связано с изменением механизма разрушения волны: в предыдущих моделях при разрушении волны гребень волны загибался вперед, что ограничивало макcимальную высоту волны. При столкновении двух волн под довольно большим углом происходит почти вертикальный выброс жидкости, который не приводит к уменьшению высоты волны. Авторы работы также отмечают сходство волны в момент такого выброса жидкости с той волной, которую на своей известной гравюре «Большая волна в Канагаве» изобразил Кацусика Хокусай. 

Физики отмечают, что глубина экспериментального бассейна составляла всего 2 метра, в то время как глубина в районе нефтяной платформы была около 70 метров, поэтому все полученные в эксперименте размеры в 35 раз меньше наблюдавшихся в реальности, а время — в 35^1/2 раз меньше. Тем не менее, по словам исследователей, все механизмы формирования волн не будут меняться при масштабировании, поэтому полученные данные в будущем помогут при создании систем прогнозирования и описания опасных океанских волн и в природны условиях.

Стоит отметить, что не все гигантские океанские волны — это волны-убийцы. Существуют близкие по амплитуде волны высотой выше 20, а иногда и 30 метров, но они не образуются поодиночке. Например, в прошлом году была зарегистрирована самая высокая из известных волн в Южном полушарии, максимальная высота которой составила 23,8 метра. Эта волна образовалась во время крупного шторма в Южном океане к юго-западу от Австралии, но была не одиночной, а находилась в центре довольно обширной зоны с очень высокими волнами со средней высотой около 15 метров.

Александр Дубов