Волны-убийцы

Волны-убийцы (девятый вал, блужда́ющие во́лны, волны-монстры, белая волна, англ. rogue wave — волна-разбойник, freak wave — чокнутая волна; фр. onde scélérate — волна-злодейка, galéjade — дурная шутка, розыгрыш) — гигантские одиночные волны, возникающие в океане, высотой 20—30 метров (а иногда и больше), обладающие нехарактерным для морских волн поведением. «Волны-убийцы» опасны для судов и морских сооружений. Корпус судна, встретившегося с такой волной, может не выдержать давление обрушившейся воды (до 1000 кПа или 10 атм).

Важное обстоятельство, которое позволяет выделить феномен волн-убийц в отдельную научную и практическую тему и отделить от других явлений, связанных с волнами аномально большой амплитуды (например, цунами), — внезапность их появления.

В отличие от цунами, возникающих в результате подводных землетрясений или оползней и набирающих большую высоту лишь на мелководье, появление «волн-убийц» не связано с катастрофическими геофизическими событиями. Хотя единой причины для волн-убийц, по-видимому, нет, но нелинейная динамика поверхностных волн на воде является одной из характерных причин формирования волн-убийц в океане[1].

Долгое время блуждающие волны считались вымыслом, так как они не укладывались ни в одну существовавшую на то время математическую модель возникновения и поведения морских волн, а также не находилось достаточного количества достоверных свидетельств. Однако 1 января 1995 года на нефтяной платформе «Дропнер» в Северном море у побережья Норвегии была впервые приборно зафиксирована волна высотой в 25,6 метра, названная волной Дропнера. Дальнейшие исследования в рамках проекта MaxWave («Максимальная волна»), который предусматривал мониторинг поверхности мирового океана с помощью радарных спутников ERS-1 и ERS-2 Европейского космического агентства (ESA), зафиксировали за три недели по всему земному шару более 10 одиночных гигантских волн, высота которых превышала 25 метров. Эти исследования заставляют по-новому рассмотреть причины гибели за прошлые два десятилетия судов такого размера, как контейнеровозы и супертанкеры, включив в число возможных причин и волны-убийцы.

Новый проект получил название Wave Atlas (Атлас волн) и предусматривает составление всемирного атласа наблюдавшихся волн-убийц и статистическую его обработку.

Фотография большой волны, надвигающейся на торговое судно в Бискайском заливе. Приблизительно 1940-е годы

Причины возникновения

Существует несколько гипотез о причинах возникновения экстремальных волн. Многие из них лишены здравого смысла. Наиболее простые объяснения построены на анализе простой суперпозиции волн разной длины. Оценки, однако, показывают, что вероятность возникновения экстремальных волн в такой схеме оказывается слишком мала. Другая заслуживающая внимания гипотеза предполагает возможность фокусировки волновой энергии в некоторых структурах поверхностных течений. Эти структуры, однако, слишком специфичны для того, чтобы механизм фокусировки энергии мог объяснить систематическое возникновение экстремальных волн.

Интересно, что такие волны могут быть как гребнями, так и впадинами, что подтверждается очевидцами. Дальнейшее исследование привлекает эффекты нелинейности в ветровых волнах, способные приводить к образованию небольших групп волн (пакетов) или отдельных волн (солитонов), способных проходить большие расстояния без значительного изменения своей структуры. Подобные пакеты также неоднократно наблюдались на практике. Характерными особенностями таких групп волн, подтверждающими данную теорию, является то, что они движутся независимо от прочего волнения и имеют небольшую ширину (менее 1 км), причём высоты резко спадают по краям[2].

Численное моделирование волн-убийц
Численное моделирование волны-убийцы

Прямое моделирование волн-убийц было предпринято в работах В. Е. Захарова, А. И. Дьяченко[3], Р. В. Шамина[4]. Численно решались уравнения, описывающие нестационарное течение идеальной жидкости со свободной поверхностью. Использование особого вида уравнений позволило проводить вычисления с большой точностью и на больших временны́х интервалах. В ходе численных экспериментов были получены характерные профили для волн-убийц, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными.

В ходе большой серии вычислительных экспериментов по моделированию динамики поверхностных волн идеальной жидкости, имеющих характерные для океана физические параметры, были построены эмпирические функции частот возникновения волн-убийц в зависимости от крутизны (~энергии) и дисперсии начальных данных[5].

Экспериментальное наблюдение

Одной из проблем в изучении волн-убийц является сложность их получения в лабораторных условиях. В основном исследователи вынуждены работать с данными, полученными при наблюдениях в естественных условиях, причём такие данные весьма ограничены в силу непредсказуемого характера возникновения волны-убийцы.

В 2010 году впервые экспериментально были получены солитоны-бризеры Перегрина, являющиеся, по мнению многих учёных, возможным прототипом волн-убийц. Эти солитоны, являющиеся частным решением нелинейного уравнения Шрёдингера, были получены для оптической системы[7], однако уже в 2011 году эти же солитоны были получены и для волн на воде[8]. В 2012 году в ещё одном эксперименте учёным удалось продемонстрировать генерацию солитона-бризера более высокого порядка, для которого амплитуда в пять раз превышает амплитуду фонового волнения[6].

Случаи наблюдения
  • Утром 7 февраля 1933 года на корабль ВМС США «Рамапо», который следовал из Манилы в Сан-Диего, обрушилась волна высотой 34 метра[9].
  • 12 апреля 1966 года в средней Атлантике итальянский трансатлантический лайнер «Michelangelo» подвергся удару гигантской «белой» волны 20 метров высотой. Двух пассажиров смыло в море, один член экипажа умер спустя несколько часов, более 50 человек были ранены. Корабль получил серьёзные повреждения носовой части и одного из бортов[10].
  • 11 сентября 1995 года британский трансатлантический лайнер «Куин Элизабет 2» в Северной Атлантике во время урагана Луиса зафиксировал 27-метровую волну[11].

Случаи гибели судов
  • Немецкий лихтеровоз MS München пропал во время шторма 13 декабря 1978 года. В результате поисков были найдены отдельные обломки судна. Предположительно, корабль стал жертвой одной или нескольких волн-убийц[12].
  • Английский нефтерудовоз MV Derbyshire пропал во время тайфуна Orchid у берегов Японии 9 сентября 1980 года. Обломки были обнаружены и тщательно обследованы в 1994 году. Последующий анализ показал, что, учитывая погодные условия, «Дербишир» почти наверняка столкнулся с волнами высотой не менее 28 метров, и что даже намного меньшая волна-убийца легко сорвала бы одну или несколько крышек люков грузового отсека судна, что привело бы к быстрой гибели корабля[13].
  • Советский траулер «Картли» в декабре 1991 года стал жертвой волны-убийцы у берегов шотландского острова Гиа. Судно сначала село на мель, потом затонуло. Погибли 4 члена экипажа. Остальных спасли береговые спасательные службы[14].

См. также

Примечания
  1. Р. В. Шамин. Математические вопросы волн-убийц. М.:Ленанд/URSS, 2016
  2. Frederic-Moreau. The Glorious Three, translated by M. Olagnon and G. A. Chase / Rogue Waves. 2004, Brest, France.
  3. A. I. Dyachenko, V. E. Zakharov. On the Formation of Freak Waves on the Surface of Deep Water. // Pis'ma v ZhETF. — 2008. — Т. 88, № 5. — С. 356—359.
  4. Р. В. Шамин. О существовании гладких решений уравнений Дьяченко, описывающих неустановившиеся течения идеальной жидкости со свободной поверхностью. // Доклады Российской академии наук. — 2006. — Т. 406, № 5. — С. 112—113.
  5. В. Е. Захаров, Р. В. Шамин. О вероятности возникновения волн-убийц. // Pis'ma v ZhETF. — 2010. — Т. 91, № 2. — С. 68—71.
  6. A. Chabchoub, N. Hoffmann, M. Onorato, and N. Akhmediev. Super Rogue Waves: Observation of a Higher-Order Breather in Water Waves (англ.) // Phys. Rev. X. — 2012. — Vol. 2. — P. 011015. — doi:10.1103/PhysRevX.2.011015.
  7. B. Kibler, J. Fatome, C. Finot, G. Millot, F. Dias, G. Genty, N. Akhmediev & J. M. Dudley. The Peregrine soliton in nonlinear fibre optics (англ.) // Nature Physics. — 2010. — Vol. 6. — P. 790—795. — doi:10.1038/nphys1740.
  8. A. Chabchoub, N. Hoffmann, and N. Akhmediev. Rogue Wave Observation in a Water Wave Tank (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2011. — Vol. 106. — P. 204502. — doi:10.1103/PhysRevLett.106.204502.
  9. Откуда берутся волны-убийцы? (рус.), Комсомольская правда (23 сентября 2004). Дата обращения 6 сентября 2017.
  10. Michelangelo accident. www.michelangelo-raffaello.com. Дата обращения: 6 сентября 2017.
  11. QE2 - History - Hurricane Luis. www.qe2.org.uk. Дата обращения: 6 сентября 2017.
  12. «Freak Wave — programme summary»www.bbc.co.uk/. BBC. 14 November 2002. Retrieved 15 January 2016.
  13. An Independent Assessment of the Sinking of the MV DERBYSHIRE. Royal Institution of Naval Architects. Дата обращения: 10 октября 2017.
  14. Елизавета Герсон. Последняя катастрофа морского флота СССР: 25 лет назад потерпел крушение траулер «Картли» (англ.). НТВ. Дата обращения: 6 сентября 2017.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.