Даже в спокойном море волны могут превращаться в монстров.
Том Вандербильт
Иллюстрация Джона Хендрикса
Ранним утром 11 сентября 1995 года круизный лайнер королевы Елизаветы 2, на своем пути из Саутгемптона в Нью Йорк, в настоящее время набросился на хвостовом конце урагана Луис, где то у берегов Ньюфаундленда. Словно предчувствуя его неминуемую кончину, Луис в последний раз оживился, ожив и обрушив на Северную Атлантику потоки ветров со скоростью 130 миль в час и 40 футов волн. Ничто из этого не вызвало чрезмерного беспокойства у капитана корабля Рональда Уорвика, 30-летнего ветерана парусного спорта, хорошо знакомого с бурным морем. Луис вряд ли был неожиданным; с момента выхода из Англии корабль постоянно отслеживал путь шторма. «Для нас это была честная игра», - вспоминает бывший коммодор из своего дома в Сомерсете, Англия. «Мы - трансатлантический лайнер».
За ужином Уорвик сообщил пассажирам корабля, что ночью может быть немного беспокойно, и позаботился о том, чтобы все потерянные вещи оставались в их каюте. Затем он сделал то, что сделал бы любой капитан в сильном море. Когда корабль ушел в волну, Уорвик снизил скорость до нескольких узлов. Это называется «взмахом», идея состоит в том, чтобы преодолевать волны как можно мягче, сохраняя при этом скорость, достаточную для сохранения управляемости. Далеко под мостиком корабля, где ветер ревел и хлестал в бронированные окна, горстка пассажиров неформально дежурила в баре.
Сразу после двух часов ночи Уорвик и его офицеры внезапно увидели на близком расстоянии вздымающееся чудовище из воды и конвульсивную белую пену. «Если вы стоите на мостике QE2, - говорит он, - ваша высота глаза над уровнем моря составляет 90 футов». Судя по тому, что они могли различить сквозь пропитанную дождем тьму, гребень надвигающейся волны был таким же высоким, как и сам мост. Уорвик, который говорит, что никогда раньше не встречал ничего такого большого в океане, сказал, что это выглядело так, как если бы они направлялись в «белые скалы Дувра».
Аномальность этой волны до сих пор не дает покоя Уорику.
Примерно через минуту волна обрушилась на переднюю палубу QE2. «Мы не переусердствовали», - говорит Уорвик. «Мы практически прошли через это». Корабль прокатился по судну. Стена воды рухнула на палубу корабля, прогнув стальные пластины примерно на 18 дюймов. Тем не менее, все это было в пределах эксплуатационных возможностей корабля. «Нас не сбили с ног или что-то в этом роде», - говорит он. «Большинство пассажиров были в постели».
Но аномальность этой волны все еще не дает покоя Уорику. Для старого руки в Северном море 40-футовые волны, которые напугали бы большинство из нас, не были чем-то необычным. Но появление из ниоткуда одной волны, которая была более чем вдвое выше остальных, было исключительным. Уорик столкнулся с волной-убийцей.
«плут волна» стала означать любую волну которая является необычно большим. Но волна-убийца не обязательно должна быть большой в абсолютном масштабе и не обязательно связана с сильным штормом. Буркард Башек, директор Института прибрежных исследований в Гестахте, Германия, определяет это как любую статистически экстремальную волну. «[Волна-убийца] как минимум в два раза превышает так называемую значительную высоту волны», - говорит он. Значительная высота волны определяется как среднее значение одной трети наибольшей волны в любой данный момент, «волны, которые вы бы увидели на глаз, если бы вы были там и наблюдали за состоянием моря».
Это означает, что вы, вероятно, испытали волну-убийцу и не заметили. Как? «Если вы выходите на улицу в спокойных условиях, - говорит Башек, - и волны достигают одного метра в высоту, и вдруг вы испытываете двухметровую волну, ну и что?» Фактически, Бачек говорит, что одна волна в день где-то в Мировом океане - это волна-убийца. Находясь в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA), он проанализировал данные с ряда буев у западного побережья Соединенных Штатов и, экстраполируя эти цифры в глобальном масштабе, подсчитал, что суда, проходящие траление через Северную Атлантику (например, QE2), будут « сталкиваются с 20-30 такими волнами-убийцами в течение их срока службы 25 лет », или примерно по одной в год.
То, что волны-изгои по своей сути являются математическими объектами, означает, что моряки, а затем ученые, не спешили постигать их природу. В конце XIX века грань между знаниями моряков и наукой могла быть столь же размытой, как окутанный туманом горизонт, когда авторитетные журналы регулярно сообщали о наблюдениях «морских монстров». К середине 20-го века, однако, большинство этих монстров было рассеяно или объяснено, но не волны-изгоями, которые по-прежнему неправильно идентифицируются и не полностью понимаются сегодня. Даже одна из самых известных волн цивилизации, Хокусая Великая волна у Канагавы , часто ошибочно интерпретируется как цунами - гравюра на дереве даже использовалась как символ предупреждающего знака ЮНЕСКО о цунами - хотя на самом деле это скорее волна-изгой, как спорили несколько ученых.
Наука о волнах-убийцах начала формироваться в начале 1960-х годов не в океане, а в волновом резервуаре - по сути, длинном мелком желобе с «лопастью» для генерации волн различной частоты - на инженерном факультете Кембриджского университета. Там физик и эксперт по гидродинамике Т. Брук Бенджамин, которому помогал аспирант по имени Джим Фейр, с трудом пытались доказать то, что давно предполагалось: стабильность так называемой «волны Стокса», своего рода Ур-волна, или прототипическая волна, гидродинамики, теоретизированная известным математиком Кембриджского университета XIX века Джорджем Габриэлем Стоуксом. Стоукс, вдохновленный слегка изумленным сообщением британского инженера об «одинокой куче воды», которую толкает замедляющаяся лодка, которая сохраняла свою скорость и форму почти на протяжении двух миль, пока она плыла по каналу, искал уравнение, которое могло бы описывают волну, распространяющуюся на мелководье без изменения формы.
Считалось само собой разумеющимся, что «волновые поезда» Стокса, как их называли, были по существу стабильными. Но инженеры, работающие с волновыми резервуарами - испытанием гидродинамики кораблей и т.п. Когда они отправились в поисках стабильности, Фейр и Бенджамин заметили нечто странное. Их коллега, JCR Hunt, писал, что эти двое «наблюдали, как волны, генерируемые в волноводе, начинались как регулярный поезд с постоянной частотой и длиной волны, но затем примерно в 5 м ниже резервуара начали формироваться в группы волн с различными частотами и длинами волн . » Думая, что это может быть проблема с оборудованием, генерирующим волны, они сначала разработали решение, чтобы частота не смещалась. Затем они перешли к большему резервуару с программируемым волноводом. Но результаты были такими же. По мере того, как волна двигалась по резервуару, ее подавляли «боковые полосы» более высокой и низкой частоты. Важно то, что эти боковые полосы экспоненциально росли по амплитуде или высоте по мере того, как они двигались вниз по резервуару.
Эффект, теперь известный как «неустойчивость Бенджамина-Фейра», подсказал нам, как формируются волны-убийцы. Как описывает Дж. Б. Циркер в своей книге золотую середину» «Наука об океанских волнах» , группа волн, обнаружив своего рода « модуляции, украла у себя энергию, чтобы произвести одну высокую волну - большую, чем можно было бы ожидать от нормальной динамики волны - затем «вернули» его к первичной волне. «Боковые полосы экспоненциально росли в высоту за счет первичной волны, которая в конечном итоге распалась», - пишет он. «Никто раньше не видел и не ожидал подобного».
Что в конечном итоге сделало концепцию волн-убийц настолько поразительной, так это не просто то, что они могли достигать неожиданных высот, но и то, что они возникали чаще, чем предполагалось. Как объясняет Эрик Хеллер, физик из Гарвардского университета, большая часть размышлений о создании больших волн возникла под влиянием М.С. Лонге-Хиггинса, известного математика и океанографа, который, как он писал в одном исследовании, пытался «изучать теоретически. статистические свойства случайной движущейся гауссовой поверхности ». Другими словами, океан.
«Его теория была основана на случайном сложении волн», - говорит Хеллер. «Он равномерно складывал их на больших площадях и спрашивал, сколько неудачных добавлений вы получите, что приведет к большим волнам». Это был линейный процесс. По словам Хеллера, была только одна проблема: «Было больше событий волн-уродов [в действительности], чем эта теория могла бы реально объяснить. В головах людей загорелись лампочки - должно быть, это нелинейная эволюция! »
Таким образом, волны-убийцы врезались в давнюю модель «гауссовых морей» со случайным распределением высоты волн. Они не были такими уж длинными, как предполагалось, и новые вероятности, такие как так называемое «распределение Тайфуна» (которое по совпадению звучит как «тайфун», но названо в честь турецкого ученого) получили распространение для предсказания вероятности волны-убийцы.
Читайте продолжение статьи на моём канале