Волны возникают в результате комбинации конструктивной интерференции — известного явления сталкивающихся волн — и нелинейных эффектов, характерных для сложной динамики океанских волн. Лучшее понимание того, как возникают волны-убийцы, могло бы привести к усовершенствованным методам определения океанических районов, которые могут их порождать, что позволит судоходным компаниям избегать опасных морей.На основе анализа трех волн-убийц, наблюдавшихся на разных нефтяных платформах в Северном море в течение десятилетия, об исследовании было запланировано опубликовать 21 июня в журнале Scientific Reports. Работа была выполнена исследователями из Технологического института Джорджии, Университетского колледжа Дублина и Института FEMTO-ST CNRS-Universite de Franche-Comte.
«Мы наблюдали похожее поведение волн на всех трех нефтяных платформах», — сказал Франческо Феделе, профессор Школы гражданского строительства и охраны окружающей среды Джорджии. «Мы обнаружили, что основным механизмом, ответственным за генерацию этих волн, является конструктивная интерференция элементарных волн, усиленная связанными нелинейностями второго порядка».Волны-бродяги наблюдались в океанах по всему миру.
Обычно они длятся всего 20 секунд или около того, прежде чем исчезнуть, и отличаются от волн цунами, которые могут преодолевать большие расстояния после создания подводных землетрясений или оползней.Более ранние исследования предложили явление, известное как «модуляционная нестабильность», для объяснения волн-убийц.
Эта теория была продемонстрирована в лабораториях, но не могла адекватно объяснить сложные трехмерные волны, которые измерялись в открытом океане без ограничений, чтобы сдерживать их, сказал Феделе.Хотя океанские волны имеют преобладающее направление, в открытом океане волны могут приходить с других направлений. В редких случаях эти волны приходят организованно или почти синхронно, что приводит к необычному случаю конструктивной интерференции, которая может удвоить высоту результирующей волны.
Но эта удвоенная высота все еще не может объяснить размер волн-убийц, наблюдаемых в Северном море — и в других местах. Это различие может быть объяснено нелинейной природой волн, которые не являются синусоидальными, а вместо этого имеют закругленные впадины, а также острые пики, возникающие в результате того, что вода поднимается вверх против силы тяжести.«Вы должны учитывать нелинейность океана, которая проявляется в отсутствии симметрии между гребнями и впадинами», — сказал Феделе, который также работает в Школе электротехники и компьютерной инженерии Технологического института Джорджии. «Эти нелинейные эффекты могут привести к увеличению высоты волны от 15 до 20 процентов, что добавляет к эффектам конструктивной интерференции».Используя передовые математические методы, исследователи смоделировали, как волны могут объединяться в очень необычных условиях, чтобы произвести волны-убийцы, измеренные на трех разных нефтяных платформах в 1995, 2007 и 2015 годах.
Прогнозы их модели соответствуют измеренным волнам.«Мы описываем сложный поток энергии волнового поля с помощью того, что мы называем его направленным спектром», — сказал Фредерик Диас, профессор Дублинского университетского колледжа. «Мы показали, что, объединив знания об этих спектрах и используя математику, которая учитывает нелинейности второго порядка, мы можем почти точно воспроизвести измеренные волны-убийцы».
Хотя океанские волны могут отличаться от других форм волн, исследовательская группа получила важные идеи от оптического сообщества и изучение того, как взаимодействуют световые волны.«Это потрясающие результаты», — сказал Джон Дадли, профессор Института FEMTO-ST CNRS-Universite de Franche-Comte. «Многие из нас потратили годы на изучение эффектов нелинейности в усилении волн, но как ученый важно сохранять непредвзятость.
Не нам указывать Природе, как работать — мы должны следовать туда, куда она нас ведет, даже если это означает изменение наших идей ».Это исследование легло в основу новой модели волн-убийц, которую можно использовать для определения областей океана, где нелинейные эффекты могут вызвать появление волн. Это может дать судоходным компаниям и другим людям предупреждение на час, чтобы избежать этих участков.В конце концов, сказал Феделе, появление волны-убийцы — это просто случайность: редкое сочетание волн в месте, которое оказывается плохим местом для кораблей или нефтяных платформ. «У океана просто плохой день», — добавил он.
В своей будущей работе Феделе надеется применить модель к оптическим волнам.«Что мы хотели бы сделать дальше, так это показать, что в океане и в оптике есть группы волн, которые ведут себя одинаково», — сказал он. «Существует лежащая в основе физическая сущность, которой является группа волн.
Мы видим волновой пакет, группу волн, которая движется и нарастает по амплитуде, чтобы достичь максимума перед тем, как распасться».Помимо уже упомянутых, в исследовательскую группу входили аспирант Джозеф Бреннан и научный сотрудник Соня Понсе де Леон.