Учёные Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук подтвердили предположение о существовании долгоживущих групп волн на поверхности океана, которые могут быть причиной «волн-убийц».
Рисунок 1 демонстрирует обнаружение солитонов огибающей (звездочки) на мгновенной фотографии поверхности воды. Горизонтальная ось показывает расстояние вдоль движения волны, а вертикальная – смещение поверхности. Указаны амплитуды и скорости распознанных солитонов огибающей. Источник: ИПФ РАН.
В научно-популярных изданиях ещё в советское время высказывалась идея о связи знаменитого «девятого вала» с солитонами огибающей (волновыми группами, сохраняющими форму даже после столкновения с другими волнами).
Однако серьёзная наука скептически относилась к этой идее из-за трёх основных аргументов, сформулированных в 1970-х годах: неустойчивость солитонов огибающей в направлении поперек движения, применимость теорий только для волн малой амплитуды и невозможность естественного возникновения солитонов огибающей в типичных морских условиях.
В 2021 году в Бискайском заливе была зафиксирована группа волн с максимальной высотой почти 28 метров, отнесённая авторами публикации в журнале Scientific Reports к солитону огибающей. Появились и другие записи морских волн, очень похожие на неё.
Сотрудники сектора моделирования экстремальных волновых явлений в океане ИПФ РАН под руководством профессора РАН Алексея Слюняева ранее показали, что существуют устойчивые уединенные группы волн даже очень большой амплитуды. В лабораторных условиях такие группы проходили большое расстояние без заметного изменения формы. В пересчете на наиболее типичные морские волны это соответствует дистанции порядка 10 км, которую волны высотой до 15 м преодолевали со скоростью 8 м/с. Для условий наблюдения групп в Бискайском заливе (период волн 18 с) волны в солитоне огибающей могли бы быть высотой до умопомрачительных 50 м. Таким образом, аргумент про обязательно малые высоты волн в морском солитоне огибающей оказался несостоятельным.
Рисунок 2. (а): Обнаруженные в продольных срезах поверхности (вдоль оси… ). OxСпустя некоторое время появились солитоны огибающей. Произошло это с сопровождением, движущимся со скоростью. Cg система координат; y – поперечная координата, t Размер кружочков и их цвет показывают величину колебания волны (в метрах).
На поверхности изображения (рис. 2. б) расположение интенсивного солитона огибающей, отмеченное кружком, недоступно для восприятия без приборов.
Все рассуждения о связи наблюдаемых групп волн с солитонами оставались лишь предположениями. Измерения волн в одной точке пространства не дают однозначных ответов. Подобieние волнам-солитонам может быть следствием случайного сложения морских волн, которое быстро исчезает. Устойчивость солитонов, проявляющаяся в длительном «времени жизни», можно проверить только отслеживая их эволюцию.
В ходе численного моделирования уравнений гидродинамики Алексей Слюняев и Анна Кокорина продемонстрировали возможность формирования устойчивых групп больших волн из случайных начальных условий [1, 2]. Процесс редкий, обнаружен лишь в нескольких реализациях из тысячи. В общей сложности была рассчитана эволюция последовательности волн длиной в четверть земного экватора в течение двадцати минут. Существенным ограничением моделирования оставалась двумерная геометрия волн: полное пренебрежение их изменчивостью в направлении поперек распространения.
Рисунок 3 демонстрирует пример волн с широким угловым спектром разброса направлений движения. Волновые группы, напоминающие солитоны огибающей, расположены случайным образом и быстро исчезают. Источник: ИПФ РАН.
В новом исследовании 2024 года сотрудниками ИПФ РАН было смоделировано поведение трехмерных нерегулярных волн (двумерной морской поверхности). Для определения соответствия волн солитонам огибающей проводился анализ разрезов поверхности вдоль главного направления движения с использованием оригинального автоматического численного алгоритма поиска солитонов. Результаты анализа показали, что долгоживущие солитоноподобные нелинейные волновые группы могут спонтанно образовываться в полях нерегулярных морских волн с умеренной шириной углового спектра и демонстрируют характерное время жизни до десятков волновых периодов. Такие группы обладают специфическими вероятностными свойствами, являясь наиболее интенсивными «пятнами» энергии на поверхности моря. Большинство экстремальных волн формируется на их фоне. В случае большого разброса по направлениям волн похожие на солитоны огибающей группы также возникают, но быстро трансформируются и не играют специфической роли.
Результаты демонстрируют реалистичность наблюдений в открытом океане групп типа солитонов огибающей, раскрывают механизм образования волновых условий с большей вероятностью появления «волн-убийц» и могут быть применены для краткосрочного прогнозирования волновой обстановки.
Продолжающиеся исследования поддержаны грантами РНФ 24-47-02007 и 25-17-68035.
Авторы: А.В. Слюняев. А.В. Кокорина
Публикации:
А.В. Слюняев, А.В. Кокорина, Солтоновые группы как причина экстремальной статистики однонаправленных морских волн. J. Ocean Eng. Marine Energy 3, 395-408 (2017). doi: 10.1007/s40722-017-0099-1
А.В. Слюняев, Устойчивость гидродинамических энвелопных солитнов: обнаружение и возникновение волн-разбойников. Physics of Fluids 33, 036606 (2021). doi: 10.1063/5.0042232
А.В. Слюняев. Группы солитонов и экстремальные волны в симулированных направленных морских волнах. Phys. Fluids 36, 077101 (2024). doi: 10.1063/5.0213239
Источник информации и изображений: ИПФ РАН