Что такое волны-убийцы? Действительно ли в океане есть внутренние волны, которые могут занимать всю толщу воды? Какие виды цунами существуют? При каких условиях они могут возникнуть в Москве-реке? Как погода влияет на вероятность появления опасных волн, в интервью «Газете.Ru» рассказал физик-океанолог, заведующий сектором Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН, профессор кафедры фундаментальной математики НИУ ВШЭ Алексей Слюняев.
— Что такое волны-убийцы?
— К определению волн-убийц могут быть разные подходы, но если выбрать что-то общее, то это класс волн, которые существенно выше, чем среднее волнение. Высота волны – это вертикальное расстояние от самой нижней точки ее ложбины до самой высокой точки соседнего гребня. Если определить среднюю величину множества волн, то те волны, которые будут в два раза и более выше чем средние (20 метров), — это волны-убийцы.
На слуху катастрофические события, связанные с волнами цунами, порождаемыми землетрясениями, оползнями, падением метеоритов и так далее. Интересно, что в отличие от цунами, волны-убийцы относятся к самым необычным из «обычных» волн, возникающих из-за действия ветра. Цунами — событие нерегулярное, а волны-убийцы — регулярное, но редкое.
С волнами-убийцами связан довольно внушительный список инцидентов: от поломок до гибели судов. Например, разлив нефти от разломившегося пополам и затонувшего танкера «Престиж» в 2022 году называли худшей за все время экологической катастрофой у берегов Испании. Нефтяные платформы также страдали от таких волн.
Вообще их называют убийцами только в русском языке. Оригинально они именовались freak, сегодня слово «фрик» понятно и в русском. Это слово возникло потому, что эти волны не вписываются в наши типичные представления.
— Вы упомянули, что событие – редкое, а насколько?
— Если вы выйдете на лодке в открытое море, то в среднем каждые 8 часов через вас будет проходить волна-убийца.
Однако они могут быть разной высоты. Если за бортом штиль со средней высотой волны в 20 сантиметров, то и «убийца» окажется 40-сантиметровой. Тем не менее, она будет в два раза больше средней. Опасными волны-убийцы становятся, когда средние волны уже высокие. Важно, что были выявлены условия, при которых возникают такие волны.
— Что это за условия?
— Нужно сказать, что научное сообщество занимается этой задачей уже 20 лет, но разобраться до конца пока не получается. Был предложен ряд возможных физических механизмов, когда волны большой высоты возникают словно без причины. Некоторые условия были проверены в численном и лабораторном моделировании.
Обычные морские волны бегут не в одном избранном направлении, а сразу в некотором диапазоне направлений, и этот диапазон довольно широкий. Оказывается, что если по каким-то причинам он сузится, то вероятностные свойства высот волн очень сильно изменятся. Этот пример легко себе представить, но за причиной такого поведения волн стоит не самая простая физика. Другой пример — быстрое изменение условий распространения волн: внезапное изменение ветра, течений, глубины.
До сих пор остается открытым вопрос, насколько часто подходящие условия реализуются в настоящем море и, соответственно, какие из предложенных механизмов важны, а какие слишком экзотичны.
— А как долго живут такие волны?
— Было принято считать, что волны-убийцы короткоживущие: от десятков секунд — до пары минут. Но в нашем моделировании, позволяющем следить за жизнью волн-убийц, мы видим такие, которые живут как минимум минуты, а то и десятки минут. Волны в море бегут довольно быстро: примерно десять метров в секунду и более. Если вы находитесь в одной точке или плывете медленно, то вы точно встретите такую волну.
Получается, что волна-убийца может быть довольно длительным событием. Это обстоятельство позволяет нам надеяться на то, что возможно развитие способов их предсказания.
— В чем сложность прогноза появления таких волн?
— Классическое представление о морских волнах заключается в том, что они, говоря житейским языком, случайны. Известно, что случайные события предсказать почти невозможно. Существующая система прогноза ограничивается единственной характеристикой интенсивности волнения — средней высотой. Но у волн, кроме их случайности, есть некоторый элемент детерминизма — это то, что переносится в пространстве с присущей скоростью. Если вы разделите волны из общей массы на компоненты, то у каждой компоненты будут собственные длина, амплитуда, направление и скорость. Если вы сумели их разделить, определить параметры, то, как минимум, на некоторое время вы можете предсказать, что будет по мере их движения.
Проблема волн-убийц заключается в том, что есть ситуации, когда все эти наши предположения о параметрах волны очень сильно нарушаются, и тогда вероятностные условия действительно совершенно другие.
— Вы работаете над моделью такого прогнозирования?
— Конечно. Нам интересно, что волны могут образовывать долгоживущие структуры за счет нелинейности. Нелинейность — довольно сложное понятие. Ее можно понимать так, что волна сама на себя влияет, немного изменяя фоновые условия распространения. Для небольших волн этим можно пренебречь. Если же волны довольно большой амплитуды, — что нас в первую очередь интересует, — тогда эти эффекты могут быть довольно значимы.
Наше открытие последних лет заключается в том, что мы нашли волновые группы, которые живут неожиданно долго. Если мы сумеем их выделить, определить их характеристики, то мы сможем и предсказать, что с ними будет в ближайшие минуты.
Это мы видим в нашем моделировании и пытаемся использовать.
— Есть ли акватории, где вероятность образования волны-убийцы выше, чем в других?
— Видимо, да. В 80-е годы у юго-восточного побережья Африки, где проходит сильное течение мыса Игольного, произошло несколько схожих инцидентов с кораблями. В частности, с палубы советского корабля неожиданной волной смыло матроса. По результатам исследований оказалось, что это «дело рук» волн-убийц, возникающих из-за специфической комбинации условий. В итоге был прописан четкий сценарий развития метеорологических условий, когда конкретная локация, конкретное удаление от берега на определенном интервале морского пути становятся опасными для судоходства. Так что есть место, где мы наверняка знаем об одном механизме возникновения волн-убийц, и есть способ не попасть в их «лапы».
Можно сделать довольно грубое утверждение, что на мелкой воде волны-убийцы возникают реже, чем на глубокой. Мелководные акватории кажутся более спокойными. В то же время, в условиях мелкой воды могут проявляться эффекты, связанные со взаимодействием со дном. Некоторые конфигурации дна или особенности берега могут приводить к тому, что в конкретных местах вероятность возникновения волн-убийц будет, наоборот, возрастать.
— Как это происходит?
— Показано, что за местами быстрого изменения глубины возникает область, где доля высоких волн больше, чем в классической теории. Оказывается, что такие эффекты могут возникать как при уменьшении глубины, так и в случае, когда глубина вдруг становится больше.
Другой случай — захват или каналирование волн. Это происходит, когда из-за неоднородностей дна волны меняют направление движения и оказываются словно запертыми, двигаясь вдоль вытянутых неоднородностей. Такие волны называют топографическими. Схожий эффект возникает из-за захвата волн струйными течениями.
Оказывается, что захват волн особенностями дна или течения приводят к повышению вероятности возникновения волн большой амплитуды.
— Действительно ли существуют стоячие волны, и чем они отличаются от волн-убийц и цунами?
— Стоячие волны образуются вблизи мест, где волны хорошо отражаются. Например, от береговых скал или выраженных подводных хребтов, других преград. Волны отражаются назад и, встречаясь с набегающими, формируют стоячую волну.
В недавнем исследовании мы наблюдали в полях стоячих волн эффекты, очень похожие на те, что мы привыкли описывать для волн в одном направлении. Вероятно, это довольно существенное открытие с точки зрения физики волн-убийц. Оно должно заложить новую ветку исследований в этом направлении.
— Правда ли, что существуют внутренние волны в океане, которые не видны на поверхности?
— Да, это тоже интересный объект. Внутренние волны могут быть очень нелинейными, что делает их динамику сложной, появляются новые эффекты — красивые и интересные.
Толща воды в океане неоднородная: сверху вода теплая, снизу уже холоднее, поэтому существует градиент (то есть плавный перепад) температур и связанный с ним градиент плотности, то есть, — сверху вода более легкая, снизу более тяжелая. И представьте: по какой-то причине тяжелая жидкость оказалась выше, чем должна быть. Конечно, она захочет вернуться обратно, и по мере возвращения сгенерирует в толще воды волновые движения. При этом может оказаться так, что на поверхности моря вообще не будет никаких проявлений этих движений. При подходящих условиях возникают внутренние волны огромной амплитуды. Они могут достигать полукилометровой высоты, занимая чуть ли не всю толщу океана. Известно, что часто внутренние волны генерируются у Гибралтара, они видны из космоса из-за генерируемых ими на поверхности течений, которые изменяют картину ветровых поверхностных волн.
Поскольку многие модели для описания этих волн широко используются в физике, оказывается, что решения, которые мы получали для внутренних волн в океане, могут быть применены и в других средах: слоистых твердых телах, плазме, в том числе астрофизической, и т.д. То есть они описывают явления не только в море, но и, например, в космосе.
— А какие виды цунами ученые различают?
— Разные цунами различают по природе возбуждения. Например, цунами космического происхождения: когда в воду падает метеорит. Вы хорошо знаете, что происходит, когда бросаешь камень в воду. Когда камень очень большой, то и эффект от него в виде разбегающихся волн очень большой. Длинные волны способны распространяться на огромные расстояния и обрушиваться на прибрежные районы далеко от места возникновения.
Для примера космогенного цунами можно вспомнить Чебаркульский метеорит, он упал непосредственно в воду - в замерзшее озеро. Метеорит проделал полынью, но волн достаточной высоты, чтобы они смогли разрушить лед, не создал. В нашей группе было проведено исследование, оказалось, что лед был слишком толстый, и угол, под которым метеорит вошел в воду, был в этом смысле не оптимальным.
— Действительно ли существуют оползневые цунами?
— Оползневые цунами случались неоднократно, в том числе и в недалекой истории. В моем родном Нижнем Новгороде в 1597 году произошло оползневое цунами на Волге, когда в реку сполз монастырь и вызвал очень большие волны, зафиксированные в летописи. Оползнем были вызваны большие волны на реке Бурея на Дальнем Востоке в 2018 году. Так что цунами – это не только история про моря и океаны, они так же могут произойти и в реках с крутыми берегами.
Есть другой яркий пример: Аляска, 1958 год. Самая известная волна цунами более полукилометра высотой, когда огромная масса грунта, камней, льда сползла в бухту Литуйя и произвела огромный выброс воды на противоположный берег. Там смыло лес.
Оползни могут происходить и под водой, тогда такие цунами практически непредсказуемы. Если вы не знаете, как устроено дно, и что там готовятся оползни, то вы не узнаете и о готовящемся цунами. Оползни – это такие спящие убийцы. Тем не менее, если вы ведете нормальный мониторинг береговой линии, то и бояться нечего.
— Подождите, то есть в любой реке может произойти цунами, даже в Москве-реке?
— Почему нет? Волна становится волной цунами, когда переносит энергию, полученную от источника возбуждения, на заметное расстояние и затем выходит на берег. Значительная доля ее опасности заключается в неожиданности. Я знаю работу норвежского исследователя, где в контексте волн цунами обсуждаются речные волны, создаваемые при определенных условиях быстроходными судами. Так что причины возникновения цунами могут быть не только природные, можно обойтись и без оползней.
— Существуют ли еще причины цунами?
— Можно отметить метеоцунами. Их проявления очень похожи на обычное цунами, но соответствующих им сейсмических источников найти не удается. Создается ощущение, что вода пришла из ниоткуда, раньше мы относили такие события к особому классу волн-убийц. Но, как оказалось, большая их часть объясняется прохождением атмосферных фронтов. Можно представить, что перед вами плошка с водой, вы на нее подули и давлением воздуха вызвали не просто колебание, а целое цунами.
Интересно, что среди сценариев, связанных с действием атмосферных фронтов, есть такие, когда атмосферный фронт может вступать в резонанс с волнами, двигаясь с определенной скоростью. Эта тема сейчас активно исследуется. Хотя в качестве источников возникновения цунами можно предложить любые возмущения морской поверхности большого размера, все же большая часть опасных цунами связаны с тектонической деятельностью Земли.
— В каких районах России, если взять ее береговую линию, возможны цунами?
— В первую очередь, опасность касается дальневосточного побережья. Хорошо известно, что этот регион подвержен цунами, приходящим из Тихого океана. Не случайно само слово «цунами» имеет японское происхождение. Но они возможны и в Черном море, и в других крупных акваториях, но, соответственно, в меньших масштабах.
