Шамин Р. Волны-убийцы
Океан занимает большую часть нашей Земли и в планетарном масштабе, несомненно, является хозяином нашей жизни. От его прихоти зависят не только наши климатические условия, но и размер поверхности суши. Повышение уровня Мирового океана даже на сантиметры приводит к существенному для некоторых стран сокращению площади. При этом энергия океана поистине колоссальна. Человечество научилось прорубать туннели через горы, почти поворачивать реки, но в океане даже авианосец выглядит скорлупкой. Более того, жители океана по массе органики значительно превышают сухопутных и воздушных обитателей. Недаром рассматриваются проекты добывания фитопланктона на топливо. А запасов рыбы и полезных ископаемых в океанах несметное количество. Поэтому не скоро человечеству понадобится добывать полезные ископаемые на Луне и других планетах.
Но океан исполняет еще одну важнейшую функцию для человечества. Речь идет о транспортных возможностях, которые предоставляют нам морские просторы. Если бы вместо Атлантического океана была бы пустыня, то Колумб не скоро смог бы ее преодолеть. Дело в том, что сопротивление корабля при движении по воде значительно меньше, чем трение при езде по суше, особенно пересеченной или песчаной местности. Тем более, что корабли могут иметь огромную массу и размеры, и им не нужны дороги.
Во все времена профессия моряка считалась одной из самых отважных и интересных. Классические морские романы вещали об опасных штормах, коварных пиратах и необитаемых островах. Иногда моряки любили рассказывать о морских чудовищах, огромных волнах, дырках в море и прочей нечисти. Конечно, образованный человек не будет верить этим рассказам, тем более, что в море - все волны кажутся больше, и в английских судах показания человека, пробывшего в открытом море, не признаются достоверными - уж очень меняет океан восприятие окружающего мира. Сейчас, когда даже по центральным каналам нам рассказывают про инопланетян, живую воду и так далее, уже ничем не напугать читателя, а лет 30 назад все знали про Бермудский треугольник, с которым связывалось внезапное исчезновение судов.
Однако и сейчас корабли внезапно пропадают! И моряки продолжают говорить о девятом вале - внезапной волне огромного размера. Вот в первый день 1995 года произошло важное событие на нефтяной платформе в Северном море. На этой платформе опытные океанологи проводили измерение высоты волнения точными датчиками. Вдруг все увидели одиночную волну, которая была в несколько раз выше окружающих волн и достигла более 15 метров. К счастью для науки, эту волну увидели не только люди, которые склонны к преувеличению, но и точные приборы. Поскольку в это время на платформе были квалифицированные специалисты, то вариант сбоя прибора был исключен. Этот случай был описан в научной публикации, а наблюдаемая волна стала называться - Новогодняя волна. И как это часто бывает, после этого инцидента схожие волны стали обнаруживать в самых различных частях океана. Главное, что теперь ученые стали верить в подобные рассказы - из морского фольклора гигантские волны стали предметом научного исследования.
Но что это за волна? Она имеет ряд отличительных черт: внезапность волны - она возникает без видимых причин почти мгновенно; одиночность волны; значительная амплитуда волны - до 30 метров; волна живет небольшое время. В западной литературе эти волны получили игривые названия - «freak waves, rogue waves». В русскоязычной литературе с легкой руки ведущего в России специалиста по аномальным волнам проф. Е.Н. Пелиновского такие волны именуются, как волны-убийцы. Впрочем, это название недалеко от правды - встречи с волнами-убий- цами нередко приводят к гибели (часто мгновенной!) судов.
Отметим, что черты волн-убийц почти полностью противоположны чертам волн цунами, которые на берегу тоже могут достигать десятков метров высоты. Волны цунами возникают вследствие внешних причин, в открытом море имеют амплитуду 0,1-1 метр (но большую длину) и «живут» десятки часов. Существующие системы обнаружения и предупреждения цунами часто позволяют избежать жертв, во всяком случае, предсказанием волн- цунами занимается солидная наука, имеющая эффективные средства.
Волны-убийцы же стали исследоваться не так давно, поэтому наши знания про такие волны далеки от удовлетворительного состояния. Есть несколько фундаментальных проблем в теории волн-убийц. Во-первых, у нас пока нет единого их определения и нет единого мнения, что относить к такой волне. Во-вторых, нет единой теории о механизмах возникновения аномально больших поверхностных волн. Волны- убийцы зарегистрированы во всех океанах, во время штормов и в штиль, в открытом океане и вблизи берега, при наличии течений и при их отсутствии и так далее. В-третьих, практически нет методов предсказания возникновения волн-убийц. Но сложная научная задача - это всегда интересная задача, поэтому сейчас волны-убийцы изучают и океанологи, и физики, и математики, и даже экологи. Например, высокоскоростной паром Таллин- Хельсинки вызывает одиночную корабельную волну, которая разрушает веками устоявшийся уникальный берег Это, конечно, не волна-убийца, но в определенном смысле - это аномально высокая (в данном районе) волна.
Как же исследуют эти волны? Естественная наука имеет три основных метода исследования природных явлений: натурные измерения, лабораторные эксперименты и математическое моделирование. Все эти три метода применяются в настоящее время. Однако волна-убийца возникает внезапно, поэтому не так-то просто ее «поймать» в океане, а лабораторные эксперименты требуют больших бассейнов для моделирования волнения, приводящего к волнам убийцам. Но для исследования волн- убийц нам нужно еще научиться численно решать эти уравнения. Математические проблемы гидродинамики, особенно со свободной поверхностью, относятся к наиболее трудным математическим проблемам, где многие задачи еще не решены. Но все-таки для использования математического моделирования необходим лишь разум и вычислительные мощности, что значительно более доступно, чем проведение натурных экспериментов.
Значительные успехи в численном моделировании морского волнения, достигнутые в последнее время, позволяют детально изучить возникновение волн-убийц. При этом загадочные причины их возникновения так и остаются таинственными. На экране компьютера мы можем наблюдать эти волны, но они возникают также неожиданно и без видимых причин. На рисунке можно видеть это явление «в чистом виде».
Однако то, что волна рождается у нас на глазах, дает возможность «измерить алгеброй гармонию». Мы можем измерить все параметры волн, из которых возникает одиночная волна-убийца. При этом результаты измерений показали, что одиночная волна на пике возникновения волны-убийцы может концентрировать в себе более четверти энергии всей системы! Измерения убедительно показали, что волна-убийца представляет собой невиданную концентрацию энергии, импульса, крутизны, кривизны и, конечно, амплитуды. Разумеется, в нашем мире множество примеров, когда физические явления сопровождаются концентрацией тех или иных физических величин - энергия лазера, сконцентрированная в тончайшем луче, фокусировка линзой солнечных лучей, разряды молнии и так далее. Но все-таки концентрация энергии при образовании волны-убийцы выглядит более затейливо, поскольку в моменты времени до начала ее формирования ничто не предвещает ее возникновения.
Более того, с начала формирования аномальная волна не всегда может вырасти до настоящей волны- убийцы и в любой момент «рассосаться», как будто ничего и не было. Именно поэтому проблема предсказания таких волн еще очень далека от своего решения. В настоящий момент удается лишь посчитать статистику возникновения волн-убийц в зависимости от параметров начальных волн.
Отметим еще одну интересную аналогию. Как известно, в идеальной ситуации конкуренция между одинаковыми предприятиями часто приводит к тому, что одно или несколько предприятий начинают заметно доминировать на рынке. Таким образом, можно рассматривать волну-убийцу, как «олигарха» амплитуды среди цуга волн. К слову сказать, существует понятие финансовых волн-убийц, которые выражают экономические кризисы.
Насколько же опасны волны-убийцы? Ежегодно тысячи людей выходят в открытое море и с ними ничего страшного не происходит. И хотя вычислительные эксперименты показывают, что аномальные волны скорее правило, чем исключение, но в море такие волны большая редкость. Это можно объяснить тем, что волну-убийцу хорошо видно на экране компьютера, но увидеть ее глазами с судна можно не всегда.
Не всегда и встреча с такой волной приводит к катастрофическому воздействию на судно. Так же, как молния может убить, привести к пожару, но при этом миллионы людей видят молнии без всякого для себя вреда. Но человечество привыкло реагировать на опасности мерами безопасности. В данном случае на повестке дня стоит изменение технических регламентов в судостроении и создании морских платформ. Даже небольшое изменение этих норм приведет к многомиллионному увеличению расходов, на что обычно болезненно реагирует промышленность. А вот страховые компании, наоборот, готовы приветствовать привлечение внимания к опасностям волн-убийц. В этой ситуации ученые должны, как всегда, найти истинное положение дел.
И хотя волны-убийцы по-прежнему хранят в себе множество тайн, сейчас мы знаем о них значительно больше. Их изучение идет полным ходом, как на Западе, так и в нашей стране. Причем российские исследователи, среди которых много молодых ученых, занимают в этой области лидирующее положение.
Роман Вячеславович Шамин, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории цунами Института морской геологии и геофизики ДВО РАН.
