Волны-убийцы, их характеристика

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство Образования Республики Беларусь

Учреждение Образования

«Полоцкий государственный университет»

Геодезический факультет

Кафедра геодезии и кадастров

Курсовая работа

по дисциплине

«Общее землеведение»

на тему

«Волны-убийцы, их характеристика»

Выполнила:

студентка гр. 12 ГИС

Демидова В.А.

Руководитель:

Барадулин Д.Л.

Новополоцк 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Общая характеристика волн-убийц

Глава 2. Предполагаемые причины образования

Глава 3. Проявление волн-убийц в Мировом океане

Заключение

Список использованных источников



ВВЕДЕНИЕ

волна амплитуда океан угроза

Морские просторы играют исключительно важную роль для экономического и политического положения большинства стран мира. Торговые суда занимают важное место в мировой экономике, потому что 95 % товаров транспортируется по морю. Более 10 миллионов человек ежегодно отдыхают на круизных лайнерах, поэтому так важно строить суда, которые не сможет сокрушить большая волна. Помимо морских коммуникаций, океан представляет собой огромную кладезь полезных ископаемых в шельфовой зоне. Поэтому вопросы безопасности на море являются столь важными для флота и добывающих отраслей промышленности.

В настоящее время широко известна опасность волн цунами, вызываемых подводными землетрясениями. Но в то же время на море существует и другой природный феномен, который пока еще не столь хорошо изучен и не имеет столь широкой известности, поэтому представляет серьезную опасность для судов и морских сооружений.

Речь идет об одиночных волнах огромной амплитуды, внезапно возникающих в океане - волнах-убийцах. Такие волны могут достигать 30-ти и более метров в высоту. Энергия этих волн может приводить (и приводит) к разрушению судов в море и авариям на нефтяных платформах. Но в отличие от цунами, волны-убийцы не имеют видимой причины возникновения. Тем не менее, актуальность изучения волн-убийц и создание методов защиты от них не подлежит сомнению.

Волны-убийцы долгое время считались морским мифом: современные теории волнообразования (которые, в общем, работают довольно успешно) предсказывают, что вероятность появления таких волн ничтожно мала. Чем больше волна, тем реже она появляется (если только ее не вызывает какая-то геофизическая катастрофа). Даже при сильном ветре и большом волнении волны-убийцы должны были бы появляться настолько редко, что люди с ними, скорее всего, на просторах Мирового океана никогда бы не сталкивались.

Многие корабли, отправлявшиеся в плавание в эпоху Великих географических открытий, часто не возвращались обратно. В среднем на океанских просторах терялся один корабль в сутки, зачастую бесследно. С тех пор принципы судостроения изменились. Устойчивость и прочность кораблей и судов заметно выросли. Однако вплоть до 2005 года тонуло по два корабля в неделю. Как всегда при весьма загадочных обстоятельствах. Никто не верил, что виноваты волны-убийцы, пока отдельные случаи не были подкреплены свидетельствами.

По мнению некоторых профессионалов, волны-убийцы небезопасны даже для низко летающих над морем вертолетов. Невзирая на кажущуюся маловероятность такового действия, создатели догадки считают, что ее нельзя исключать и что как минимум два варианта смерти спасательных вертолетов похожи на итог удара огромной волны.

На основании вышесказанного, я определила цель написания курсовой работы - изучить такой природный феномен как волны-убийцы. Для раскрытия темы я поставила следующие задачи:

Охарактеризовать волны-убийцы, их отличие от других волн, предоставляемую ими угрозу для судов, лайнеров, морских сооружений, нефтяных платформ и т.д. Волны-убийцы стали исследоваться не так давно, поэтому наши знания про них оставляют желать лучшего.

Изучить предполагаемые причины образования волн-убийц. Практически не существует достоверных 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.

Рассмотреть проявление волн-убийц в Мировом океане на протяжении нескольких лет. 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.

Бурное развитие космических и информационных технологий последних лет позволило получить неопровержимые свидетельства, подтверждающие существование волн-убийц в океане. География распространения, частота появления и большая разрушительная способность этих волн могут в корне изменить подходы к стандартам безопасности строительства и эксплуатации морских нефтяных платформ и танкеров.



ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЛН-УБИЙЦ

Океанские волны являются одной из мощнейших стихий на Земле. О волнах хорошо известно - их порождают штормы и они достигают огромных высот, но моряки утверждают, что есть иные волны, более высокие и разрушительнее. Их высота в четыре раза выше обычных. Одна единственная волна, несущая смерть. Она достаточно высокая, чтобы затопить десятиэтажное здание или перевернуть 300-метровый круизный лайнер (рисунок 1.1, [1]).

Рисунок 1.1 - Волна-убийца [1]

Волны-убийцы - это в один момент возникающие на морской поверхности высочайшие волны. За счет удивительности и угрозы этого явления, а также очень короткой научной традиции его исследования заглавий у него огромное количество: аномально высочайшие волны, экстремальные волны, волны-шатуны, блуждающие волны, волны-монстры, волна-разбойник, волна-отморозок, солитоны (в англоязычной литературе - rogue waves, abnormal waves, exceptional waves, giant waves, steep wave events).

По определению, волнами-убийцами считаются волны, высота которых более чем вдвое превосходит значимую высоту волн. Значимая высота волн рассчитывается для данного периода в данном регионе. Для этого отбирается третья часть всех зафиксированных волн, имеющих самую большую высоту, и находится их средняя высота.

Волны-убийцы не следует путать с цунами: цунами появляются в итоге сейсмических явлений и набирают огромную высоту только поблизости от берега, тогда как волны-убийцы могут появляться без узнаваемых обстоятельств, фактически на любом участке моря, при слабом ветре и относительно маленьком волнении. Цунами небезопасны для береговых сооружений и судов, стоящих близко к берегу, в то время как волна-убийца может разрушить любое морское сооружение на своем пути [2].

Любые штормовые волны могут вызвать гибель судов, и всё же такие волны, и даже ураганы, убийцами не называют. Только в период с 1969 по 1994 годы в Тихом и Атлантическом океанах при встрече с подобными волнами затонули или получили серьезные повреждения 22 супертанкера - при этом погибли 525 человек. Ещё 12 подобных трагедий за это время произошло в Индийском океане [12].

По данным страховой компании "Ллойд" известно, что за восьмое десятилетие ХХ века волны-убийцы погубили 46 кораблей водоизмещением более 500 тонн [9]. Волны уничтожают и повреждают как малые суда, так и огромные танкеры, спортивные яхты и сухогрузы, пассажирские лайнеры (рисунок 1.2, [1]).

Рисунок 1.2 - Лайнер «Norwegian Dream» после встречи с волной-убийцей [1]

Сообщения о гигантских волнах, появляющихся из ниоткуда, топящих корабли и разрушающих портовые сооружения, известны ещё с античных времён. Они отражены во многих легендах, о них рассказывали выжившие после этой опасной встречи рыбаки и мореходы. Нет сомнения, что в те времена им не верили. Однако начиная с XVIII века, когда океан стали активно изучать, волны-убийцы были занесены в разряд небылиц.

Веками мореплаватели рассказывали подобные истории о загадочном природном явлении, которые особенно часто наблюдались в районе Южной Африки. Суда исчезали бесследно, продолжают исчезать и сейчас. Рассказам про «волны-убийцы» никто из ученого мира просто-напросто не верил, и моряки с этим феноменом существовали сами по себе. Не убеждали ученых и факты невозвращения кораблей на родные причалы, и обнаруженные обломки судов в морях, океанах, на берегах. Статистика была такова: в среднем на океанских просторах терялся один корабль в сутки, зачастую бесследно, а ученые-океанологи по-прежнему утверждали, что волны высотой 36 метров невозможны и не могут быть причиной трагедий [6].

Одно из первых описаний волн-убийц относится к 1826 году. Волну высотой более 25 метров заметили в Атлантическом океане недалеко от Бискайского залива. Этому сообщению никто не поверил. А в 1840 году мореплаватель Дюмон д'Юрвиль рискнул явиться на заседание Французского географического общества и заявить, что своими глазами видел 35-метровую волну. Присутствующие подняли его на смех [11].

Дело вовсе не в том, что волны-убийцы появляются в Мировом океане достаточно редко. Как раз наоборот, в некоторых районах, согласно статистике, это происходит раз в два дня (эта информация получена со спутников, то есть может считаться весьма надежной). А при такой частоте встречаемости даже в "доспутниковую" эпоху данную волну кто-нибудь из ученых мог бы увидеть. И, скорее всего, видел, но просто не верил своим глазам, потому что, с точки зрения классической гидрологии, существование подобной волны было невозможно.

Волной-убийцей называют аномально высокую волну высотой 25-30 м, которая появляется внезапно на абсолютно гладкой морской поверхности, как бы из "ниоткуда". При этом погода может стоять вполне безветренная, да и никаких катаклизмов вроде землетрясений и вулканических извержений поблизости тоже не наблюдается.

После научных доказательств о существовании волн-убийц, их вновь отнесли к категории реально существующих объектов. Однако мало кто этому обрадовался - стало ясно, что, скорее всего, именно они стали причиной гибели за последние два десятилетия нескольких огромных судов, контейнеровозов и супертанкеров, для которых даже самый сильный шторм не страшен. И главное, против такой волны практически невозможно защититься -- конструкции судна просто не в состоянии выдержать громадное давление обрушившейся на него воды, которое может доходить до 980 кПА (это 9,7 атмосфер) [2].

Но всё равно серьезные ученые считали волны-убийцы выдумкой до случая с нефтяной платформой "Дропнер", расположенной в Северном море, у побережья Норвегии. 1 января 1995 года на нее неожиданно обрушилась волна высотой 25,6 метра, что зафиксировали приборы платформы. Самой платформе был нанесен незначительный урон, но зато ученые заговорили о феномене, который получил название "волна Дропнера" [6].

Трагедии заставили мировое научное сообщество активизировать свои усилия. Изучение обломков кораблей, пострадавших в морских катастрофах, произошедших в период с 1969 по 1994 годы, показало, что за эти 25 лет 60 морских судов затонули в результате внезапного затопления. Анализы показали, что треть их могла произойти в результате воздействий волн-убийц.

Чтобы избежать новых катастроф, ученым необходимо выяснить частоту и концентрацию таких волн. Мониторинг мирового океана казался немыслимым, но в начале 90-х годов XX века европейское космическое агентство (ESA) запустило в космос два искусственных спутника Земли ERS-1 и ERS-2, которые окончательно подтвердили существование этих волн.

Спутникам удалось всего за три недели увидеть более 10 одиночных гигантских волн, высота которых превышала 25 метров в самых разных районах земного шара. И это окончательно сбило с толку ученых, ведь, согласно волновой теории, чем выше волна, тем меньше вероятность ее возникновения (с научной точки зрения волны высотой более 20,7 метров существовать в океанах Земли не могут). По расчетам такие волны должны появляться не чаще, чем раз в двести лет, но здесь менее чем за месяц было зарегистрировано сразу 10 волн-убийц [5].

Снимки со спутников были скомпонованы в так называемый атлас волн. Это карта горячих точек волн-убийц с указанием районов их формирования, длительности, существования и расстояния перемещения. Теперь такой атлас стал основой системы раннего оповещения. Он укажет точные места формирования таких волн и поможет судну проложить наиболее безопасный маршрут. Предупреждение выполняется за 5-6 часов. Международная организация NOAA постоянно работает над усовершенствованием плавучих систем. Буи, оборудованные компьютерами, изучают океанские и морские течения. Нейронная сеть создается с целью отправления на пульт изображение происходящего.

Теперь с помощью спутниковых данных можно наблюдать за определенным районом океана и наносить на карту волновые колебания в любых условиях. Также можно использовать эти данные для определения длины волн, длины их гребня, крутизны волны и максимальной высоты. Интересно, что такие волны могут быть как гребнями, так и впадинами, что подтверждается очевидцами. На рисунке 1.3 [1] показано, как осуществляется мониторинг волн-убийц.



Рисунок 1.3 - Система мониторинга волн-убийц [1]

Таким образом, корабль или судно получает данные о формировании в районе большой волны за несколько часов, и штурман выбирает более безопасный курс [1].

Обычно волна-убийца описывается как стремительно приближающаяся водяная стенка большой высоты. Перед ней движется впадина глубиной несколько метров - "дыра в море". Высота волны обычно указывается конкретно как расстояние от высшей точки гребня до низшей точки впадины. По внешнему облику волны-убийцы делятся на три главных типа: "белоснежная стенка" (рисунок 1.4, [15]), "три сестры" (группа из 3-х волн), одиночная волна ("одиночная башня").

Рисунок 1.4 - Волна в Бискайском заливе в 1993 году (тип "белоснежная стенка"). Фото NOAA [15].

По наблюдениям Государственного управления океанических и атмосферных исследовательских работ США (NOAA), волны-убийцы бывают рассеивающиеся и нерассеивающиеся. Нерассеивающиеся могут сделать по морю достаточно длинный путь: от 6 до 10 миль. Если судно замечает такую волну издалека, то можно успеть принять какие-то меры. Рассеивающиеся же возникают практически ниоткуда, обрушиваются и исчезают.

По мнению некоторых профессионалов, волны-убийцы небезопасны даже для низко летающих над морем вертолетов (рисунок 1.5, [15]). Невзирая на кажущуюся маловероятность, создатели догадки считают, что ее нельзя исключать и что как минимум два варианта смерти спасательных вертолетов похожи на итог удара огромной волны [15].

Рисунок 1.5 - Сценарий гибели спасательного вертолета. Изображение Военно-морского института США [15]

Таким образом, морякам давно известны одиночные волны большой высоты, которые губят корабли. Долгое время считалось, что подобное встречается только в открытом океане. Однако последние данные говорят о том, что одиночные волны-убийцы (до 20-30 метров высотой) могут появляться и в прибрежных зонах [4].

Десятиметровые штормовые волны атакуют с силой равной шестью тоннам на 0,04 м2. Многие корабли выдерживают силу равную пятнадцати тоннам, но 30-метровая волна-убийца имеет силу сто тонн. Это почти в два раза мощнее промышленного катка.

Сегодня судостроители создают суда, отвечающие определенным стандартам. Одной из основных проблем судостроителей является способность волны-убийцы подняться через нос корабля и выбить иллюминаторы в надстройке, при этом вывести из строя электрооборудование. В результате судно теряет управление.

Возможным решением проблемы может стать переоборудование ходового мостика и других надстроек. Лайнер «Queen Mary 2» является ярким тому примером. У него толстый корпус, усиленный обвес ходового мостика и нос с резким развалом бортов, который обеспечивает защиту от больших волн. Однако и эти технические новинки не помогут, если не выдержат водонепроницаемые люки судна [1].

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы о изучаемом феномене:

1. Волнами-убийцами считаются волны, высота которых более чем в два раза превышает значимую высоту волн. Значимая высота волн рассчитывается для заданного периода в заданном регионе. Для этого отбирается треть всех зафиксированных волн, имеющих наибольшую высоту, и находится их средняя высота.

2. Первым надежным инструментальным свидетельством появления волны-убийцы считаются показания приборов на нефтяной платформе “Дропнер”, расположенной в Северном море. Первого января 1995 года при значимой высоте волн 12 метров вдруг возникла 26-метровая волна, обрушившаяся на платформу. Характер повреждений оборудования соответствовал указанной высоте волны.

3. Волны-убийцы могут появляться без известных причин при слабом ветре и относительно небольшом волнении, достигая 30 метровой высоты. Это смертельная угроза даже для самых современных кораблей: поверхность, на которую обрушивается гигантская волна, может испытывать давление до 100 тонн на квадратный метр.

4. Обычно волна-убийца описывается как быстро приближающаяся водяная стена огромной высоты. Перед ней движется впадина глубиной несколько метров - “дыра в море”. Высота волны обычно указывается именно как расстояние от высшей точки гребня до низшей точки впадины. По внешнему виду “волны-убийцы” делятся на три основных типа: “белая стена”, “три сестры” (группа из трех волн), одиночная волна (“одиночная башня”) [13].

Вообще, можно сказать, что серьёзное изучение волн-убийц только-только начинается. Однако возможный механизм их возникновения уже известен. И это значит, что через какое-то время их появление можно будет также легко прогнозировать, как и погоду [7].

ГЛАВА 2. ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ ПРИЧИНЫ ОБРАЗОВАНИЯ

Неожиданность появления волн-убийц, их непредсказуемость и тайна возникновения поселили в людей, особенно в моряков, суеверный страх перед этой стихией. В реальности, речь идёт о странном, до сих не имеющем полного объяснения явлении, приносящем тяжелый материальный ущерб и являющемся причиной гибели людей в море. Именно из-за того, что эти волны изучены не полностью, имеется ряд предполагаемых причин их образования.

Возможно, причиной возникновения гигантских одиночных волн является движение с некоторой определенной скоростью фронта высокого атмосферного давления в направлении зоны низкого давления (расширение зоны высокого давления), как это описывается в работе Шумилова В. Н. При таком «наступлении» фронта высокого давления возникает явление, почти аналогичное нагону воды на мелководную восточную часть Балтийского моря, когда уровень воды в Неве в Санкт-Петербурге поднимается на несколько метров.

Другой возможной причиной называются интерференционные максимумы при наложении распространяющихся в водной толще волн разной направленности. Наиболее вероятными зонами образования волн в этом случае называются зоны морских течений, так как в них волнения, вызванные неоднородностью течения и неровностями дна, наиболее постоянны и интенсивны. Они становятся трехмерными, крутыми и поэтому особо опасными. Возникают настоящие "водяные стены". Эти волны в высоту превышают 30 метров, и встреча с ними поражает воображение. Эффект усиливается ещё и тем, что корабль располагается не горизонтально, то есть, параллельно подошве волны, а наклонён к ней. Это усиливает психологический эффект: высота волны зрительно сильно преувеличивается (рисунок 2.1, [9]).

Рисунок 2.1 - «Водяные стены». Причина усиления эффекта [9]

Интересно, что такие волны могут быть как гребнями, так и впадинами, что подтверждается очевидцами [9].

Океанографы смогли проанализировать волновые спектры до, во время и после волны. Волна-убийца возникает из-за воздушных потоков, но направленность ей придает течение. Когда подводное течение сталкивается с волнами, идущими в противоположном направлении, волны могут сжаться и устремиться вверх, сформировав «блуждающую волну». Это объясняет, почему в районах с сильным течением так часты подобные явления.

Течение Гольфстрим одно из них и проходит через печально известный район «Бермудского треугольника». Вполне вероятно, что причиной многих невероятных исчезновений в районе «Бермудского треугольника» является не воздействие сверхъестественных сил, а мощь самого океана и его порождения - волны-убийцы (рисунок 2.2, [6]).

Рисунок 2.2 - «Бермудский треугольник» [6]

Ученые также вспоминают мыс Игольный, самую южную точку Африки. Там, на стыке Атлантического и Индийского океанов, сталкиваются южные ветры и Агульясово течение (рисунок 2.3, [18]). Волны громоздятся друг на друга и образовывают высокие валы. Именно там порою возникают т.н. «три сестры» - следующие одна за другой три гигантские волны, поднявшись на которые, переламываются под собственным весом супертанкеры.

Рисунок 2.3 - Поведение лучевых линий волн на встречном течении, построенное для района мыса Игольного [18]

Значительное усиление волны на встречном течении заметно в устьях рек, когда морская волна заходит вверх по течению реки. Существование областей схождения волн в результате действия течений, влияния переменной глубины, блокировки волн течениями повышает вероятность появления высоких волн в этих точках, хотя сами области фокусировки волновой энергии (каустики) могут случайно возникать и исчезать. Подобное происходит и в водах течения Куросио у берегов Японии, и у мыса Горн [7, 11, 18].

Еще одной причиной возникновения таких волн может быть разница в энергетических потенциалах разных слоев воды, которая при определенных обстоятельствах «разряжается», как в атмосфере во время грозы или смерча. Верхний слой воды, насыщаясь кислородом, накапливает положительный электрический потенциал, а глубинные слои, содержащие в себе растворенный метан, низковалентные оксиды железа, марганца и т. д., - отрицательный.

В такой ситуации при определенных условиях эта энергия может вызывать возмущения и движение больших масс воды. Если в подобном месте вдруг пройдет корабль, подводная лодка, ударит молния, или просто произойдет мощный всплеск или еще что-то, то "контакты" данной естественной электросхемы замкнутся и заработает "волновой двигатель". Он сможет работать как «на всасывание», то есть образовывать воронку, так и на выталкивание массы воды на поверхность, то есть создать волну-убийцу.

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.

Рассмотрим, что же такое пакет и солитон по определению. Волновой пакет - определённая совокупность волн, обладающих разными частотами, которые описывают обладающую волновыми свойствами формацию, в общем случае ограниченную во времени и пространстве. Так, в квантовой механике описание частицы в виде волновых пакетов способствовало принятию статистической интерпретации квадрата модуля волновой функции. 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), причем высоты резко спадают по краям.

В свою очередь, солитон -- это структурно устойчивая уединённая волна, распространяющаяся в нелинейной среде. Солитоны ведут себя подобно частицам (частицеподобная волна): при взаимодействии друг с другом или с некоторыми другими возмущениями они не разрушаются, а двигаются, сохраняя свою структуру неизменной [6, 8, 16].

Солитоны - необыкновенное и малоизученное явление. Их называют волнами, хотя на самом деле это нечто иное. В отличие от обычных волн солитоны распространяются на большие расстояния с очень малым рассеянием энергии. Это загадка, которая еще ждет изучения.

Солитоны практически не взаимодействуют друг с другом. Как правило, они распространяются с разными скоростями. Конечно, может получиться их встреча, и один солитон догонит другой, и тогда они суммируются по высоте, но потом снова разбегаются по своим путям. Сложение солитонов - достаточно редкое событие.

Но есть еще одна причина резкого возрастания крутизны и высоты этих волн. Причина эта - подводные уступы, через которые пробегает солитон. При этом в подводной части происходит отражение энергии, и солитон как бы выплескивается вверх. Ситуация изучалась на физических моделях международной научной группой. Благодаря этим знаниям можно прокладывать более безопасные маршруты движения судов.

Но загадок все же остается намного больше, чем изученных особенностей. Особенно загадочны солитоны внутри вод моря, на так называемом слое скачка плотности. Эти солитоны могут приводить к катастрофам подводных лодок [14].

Доктор наук, профессор Санкт-Петербургского государственного университета Леонид Иосифович Лопатухин выдвинул гипотезу, согласно которой волны-убийцы возникают из-за сложения ветровых волн и волн зыби при определенных условиях, например, в районе быстрого течения. Все это маловероятно для океана. По-видимому, наиболее серьезный претендент на роль волн-убийц - это солитоны.

Прямое моделирование волн-убийц было предпринято в работах В.Е. Захарова, В.И. Дьяченко, Р.В. Шамина. Численно решались уравнения, описывающие нестационарное течение идеальной жидкости со свободной поверхностью. Используя особый вид уравнений, удалось проводить вычисления с большой точностью и на больших временных интервалах. В ходе численных экспериментов были получены характерные профили для волн-убийц, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными (рисунок 2.4, [8, 19]).

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 (либо энергии) и дисперсии начальных данных [3].

Рисунок 2.4 - Численное моделирование волны-убийцы [8, 19]

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, однако уже в 2011 году эти же солитоны были получены и для волн на воде.

В 2012 году в ещё одном эксперименте учёным удалось экспериментально продемонстрировать генерацию солитона-бризера более высокого порядка, для которого амплитуда в пять раз превышает амплитуду фонового волнения [8].

Еще один фактор, определяющий возникновение волн-убийц, - это тип береговой линии и рельеф океанского дна, т.е. средой возникновения волны-убийцы являются естественные препятствия, например острова, отмель, рифы.

Сотрудник Национальной исследовательской комиссии в Оттаве Этьен Мансар показал своими экспериментами, что если две интерферирующих "материнских" волны встречают какую-либо преграду, то возникает удар этих волн. В результате этого удара появляется новая волна, по своей высоте намного превосходящая высоты волн-родительниц (наложение двух когерентных волн вызывает волну, высота которой равна сумме высот отдельных волн - интерференция).

Такая картина может возникнуть в случае, когда волна разделяется на две, огибающие небольшой остров. За этим островом волны вновь встречаются, возникает их интерференция, и появляется новая гигантская волна.

Влияние переменной батиметрии на распространение поверхностных волн превосходно демонстрирует фотография на рисунке 2.5 [18].

Скорость волн зависит от глубины, поэтому волны с более глубоких областей догоняют волны на мелководье, и волновой фронт вытягивается вдоль береговой линии. По той же причине образуются области схождения волн за обтекаемыми островами (рисунок 2.5, [18]).

Искривление волнового фронта приводит к геометрической фокусировке волновой энергии; этот процесс может дополняться дисперсионной фокусировкой либо действовать независимо. Процесс дисперсионного сжатия с геометрической подфокусировкой может проходить еще резче, чем в одномерном случае, что понятно на качественном уровне. Эта ситуация свидетельствует о том, что суда, укрывшиеся от шторма за каким-либо небольшим островом, подвергаются опасности быть уничтоженным волной-убийцей [18].

Рисунок 2.5 - Искривление волновых фронтов как следствие влияния переменной глубины и обтекания препятствий [18]

Влияют на уединённые волны и течения, такие, как Абул Хаз - "река в океане", огибающая Южную Африку. Скорость его достигает 25 м/с. Это течение нередко используется при прокладке курса, что существенно экономит время рейса судна. Но моряки и океанологи знают, что порой плавание в струях этого течения может плохо закончиться. В том районе, где это течение впадает в Атлантический океан, возникает сильная толчея волн, перемещающихся с большой скоростью. Волны могут достигать огромных размеров - именно такие волны погубили суда "Уарата" и "Уорлд Глория" [1, 9].

Волны-убийцы появляются и в спокойных водах. Они формируются под влиянием шторма бушующего за сотни миль, а затем их гонит в определенный район сильный ветер. Это тот самый «девятый вал», которого так страшатся моряки. Если высота обычных штормовых гребней в среднем составляет 4-6 метров (10-15 при урагане), то внезапно возникающая среди них волна может достигать высоты 25-30 метров [1, 7].

13 декабря 2007 года группа физиков из Калифорнийского университета в Беркли (США) решила поставить эксперимент, в котором роль океанических волн выполняли бы световые (известно, что эти волны очень похожи по своему поведению). Ученые использовали оптическое волокно, которое они подавали на вход нелинейной среды (это среда, свойства которой зависят от интенсивности взаимодействующих с ней физических полей, то есть отклик которой на действие внешних возмущений нелинейно зависит от амплитуды возмущения).

И хотя сам сигнал имел фиксированную частоту, к нему была добавлена небольшая примесь шума, то есть дополнительного "размытого" сигнала, состоящего из волн различных частот. А поскольку структура волокна обеспечивала нелинейную среду, то заранее не было известно, как световой сигнал поведет себя на выходе - проще говоря, предсказать конечные параметры волны не представлялось возможным.

В результате эксперимента получилось, что в нелинейной среде исходный чистый сигнал с примесью шума терял свою четкость и весь превращался в "хаос" из волн различных частот. И вот что интересно - на некоторых таких частотах возникали неожиданно четкие и яркие пики с интенсивностью намного большей, чем у изначального сигнала. Получается, что это и были волны убийцы. Иначе говоря, их порождал хаос, созданный прохождением обычных волн через ту самую нелинейную среду.

Проще говоря, по результатам эксперимента стало ясно, что если много волн с различной частотой и амплитудой вдруг соберутся вместе с непростой структурой, то запросто может возникнуть волна с большой амплитудой. В реальности в Мировом океане предостаточно таких мест - они возникают на стыке теплых и холодных течений, в местах апвелинга (поднятий глубоководной воды к поверхности), участках со сложной береговой конфигурацией или районах, где над морем сталкиваются различные воздушные массы [5].

Первым надежным инструментальным свидетельством возникновения волны-убийцы считаются показания устройств на нефтяной платформе "Дропнер", расположенной в Северном море. 1 января 1995 года при высоте волн 12 м (что много, но вполне обычно) вдруг появилась 26-метровая волна, обрушившаяся на платформу. Характер повреждений оборудования соответствовал обозначенной высоте волны.

Исследование волн-убийц, по сути, только начинается. Так, в Южно-Сахалинске 14 декабря 2012 года открылся научный центр по изучению волн-убийц. Цитата из СМИ:

"Деятельность центра будет посвящена проблемам изучения экстремальных волн в океане. В задачи научного центра будет входить всестороннее изучение этого опасного явления, предсказание их возникновения и выработка мер защиты. Также созданный научный центр будет выполнять консалтинговые функции, и заниматься проблемами расчета оценки риска от катастрофического воздействия волн-убийц для судов и нефтяных платформ", - говорится в сообщении [18].

Инициаторами создания центра стали институт морской геологии и геофизики ДВО РАН совместно с филиалом Дальневосточного федерального университета в городе Южно-Сахалинске, Специальным конструкторским бюро систем автоматизации морских исследований ДВО РАН и Институтом океанологии имени Ширшова РАН [18].

Проанализировав вышесказанное, можно сказать, что специалисты называют следующие предпосылки для появления волны-убийцы:

Движение с некоторой определенной скоростью фронта высокого атмосферного давления в направлении зоны низкого давления;

Наложение двух когерентных волн вызывает волну, высота которой равна сумме высот отдельных волн. Это явление называется интерференцией;

Подводное течение сталкивается с волнами, идущими в противоположном направлении, волны могут сжаться и устремиться вверх, сформировав волну-убийцу;

Разница в энергетических потенциалах разных слоев воды, которая при определенных обстоятельствах «разряжается», как в атмосфере во время грозы или смерча;

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;

Тип береговой линии и рельеф, естественные препятствия, например острова, отмель, рифы;

Течения, такие как Абул Хаз;

Влияние шторма, бушующего за сотни миль, а затем сильный ветер гонит волны в определенный район.

ГЛАВА 3. ПРОЯВЛЕНИЕ ВОЛН-УБИЙЦ В МИРОВОМ ОКЕАНЕ

Многие корабли, отправлявшиеся в плавание в эпоху Великих географических открытий, часто не возвращались обратно. В среднем на океанских просторах терялся один корабль в сутки, зачастую бесследно. С тех пор принципы судостроения изменились. Устойчивость и прочность кораблей и судов заметно выросли. Однако вплоть до 2005 года тонуло по два корабля в неделю (рисунок 3.1, [17]). Как всегда при весьма загадочных обстоятельствах. Никто не верил, что виноваты волны-убийцы, пока отдельные случаи не были подкреплены свидетельствами [1].



Рисунок 3.1 - Статистика встреч супертанкеров с волнами-убийцами за 1968-1994 гг. [17]

В 1933 году корабль ВМС США "Рамапо" попал в шторм в Тихом океане. Семь суток корабль бросало по волнам. А утром 7 февраля сзади внезапно подкрался невероятной высоты вал. Вначале судно швырнуло в глубокую пропасть, а потом подняло почти вертикально на гору пенящейся воды. Экипаж, которому посчастливилось выжить, зафиксировал высоту волны - 34 метра. Двигалась она со скоростью 23 м/с, или 85 км/ч. Пока что это считается самой высокой когда-либо измеренной волной-убийцей.

Во время второй мировой войны, в 1942 году, лайнер "Королева Мария" («Queen Mary») перевозил 16 тыс. американских военных из Нью-Йорка в Великобританию. Неожиданно на пути судна возникла 28-метровая волна.

"Верхняя палуба была на обычной высоте, и вдруг - раз! - она резко ушла вниз", - вспоминал доктор Норвал Картер, находившийся на борту корабля. Судно накренилось под углом 53 градуса - если бы угол составил хотя бы на три градуса больше, гибель была бы неизбежной. История "Королевы Марии" легла в основу голливудского фильма "Посейдон" [17].

В 1951 году в Северной Атлантике капитан Хенри Карлсон послал радиограмму о том, что на его грузовое судно «Flying Enterprise» обрушилась сила, которую он определил как большая волна. Корабль треснул в средней части. Карлсону и его команде удавалось поддерживать судно на плаву. Капитан распорядился натягивать тросы на лебедках по обе стороны трещины. Когда трещина стала диаметром 2 см, они залили её бетоном и построили на ней волноотвод.

Корабль остался на плаву, но 28 часов спустя на судно обрушилась ещё одна волна-убийца высотой 20 м. Мачты и все радиоантенны сломались. Стальная обшивка судна треснула. Ударная сила волны была очень мощной. 40 членам экипажа и 10 пассажирам удалось спастись, а капитан Карлсон остался на корабле и посылал радиограммы. Британские буксиры пытались отвести пострадавшее судно за более чем 600 км в английский Фалмут, но когда до берега осталось 60 км, «Flying Enterprise» пошёл ко дну. Капитан Карлсон успел спастись всего за несколько минут до того, как корабль затонул. На родине Карлсон предпочёл умолчать о том, что его судно стало жертвой двух волн-убийц, потому что в то время его могли принять за сумасшедшего [10].

В апреле 1966 года в Атлантическом океане 18-метровая волна-убийца настигла итальянский лайнер "Микеланджело". На его борту находились многие знаменитости, включая писателя Гюнтера Грасса. Погибли двое пассажиров, каюты которых находились со стороны удара волны, один член экипажа скончался спустя несколько часов, 50 человек были травмированы. Корабль получил серьезные повреждения.

В 1974 году у побережья Южной Африки волна-убийца сильно повредила норвежский танкер "Уильстар". В 1975 году в Верхнем озере (не в открытом море) по судну "Андерсон" ударили две волны-убийцы. Обошлось без серьезных повреждений, но впоследствии оказалось, что в это же время неподалеку затонуло, не успев даже подать сигнал бедствия, грузовое судно "Эдмунд Фицджеральд". Все члены экипажа погибли, поэтому точная причина катастрофы неизвестна, но есть основания считать, что волны-убийцы внесли свой вклад в крушение судна (или даже являлись единственной причиной) [17].

В декабре 1978 года немецкий супертанкер «Мюнхен» преодолевал шторм в Атлантике. Находясь посреди океана, «Мюнхен» вдруг послал сигнал бедствия, и спустя пятнадцать секунд сигнал пропал. В ходе самых масштабных поисков в истории мореплавания было найдено лишь несколько обломков корабля да потрёпанная шлюпка, что болталась на волнах посреди океана. Шлюпка была сорвана со швартовых и словно разбита молотом. Это означало, что на корабль обрушилась неизвестная сила с высоты примерно 18 метров. Останки 29 членов экипажа так и не были обнаружены. Это дало основания считать, что корабль стал жертвой волны-убийцы. В заключении морского суда причиной возникновения необычного явления была названа плохая погода, но ничего не говорилось о том, что же это было за явление [10].

В 1980 году у берегов Японии британский сухогруз «Дербишир» настигла «волна-убийца» (рисунок 3.2, [11]). Мощная волна пробила главный грузовой люк и залила трюм. Погибли все 44 человека, которые были на борту. Это стало самым крупным кораблекрушением в истории Великобритании. Обломки корабля нашли только спустя 14 лет, на глубине полтора километра. Вначале причиной кораблекрушения считались недочеты в конструкции судна, и лишь в 2001 году было доказано, что "Дербишир" потопила аномальная волна [11].



Рисунок 3.2 - Сухогруз "Дербишир" во время встречи с волной-убицей [11]

В 1980 году нефтеналивной танкер «Esso Languedoc» шел из порта Дурбан в ЮАР. Море было неспокойным, волны достигали в высоту 4 метра. Старший помощник капитана стоял на мостике когда волна во много раз выше всех остальных появилась из ниоткуда и стала приближаться к судну. Он успел щелкнуть затвором фотоаппарата. Верхушка мачты по правому борту находилась на высоте 25 метров от уровня воды, поэтому высота волны в сравнении с ней была определена как 30,5 метров (рисунок 3.3, [1]). Танкеру «Esso Languedoc» удалось пережить сокрушительный удар, который потряс грузовое судно от носа до кормы.



Рисунок 3.3 - Высота волны, зафиксированная с танкера

«Esso Languedoc» [1]

И. Лавренов, автор книги «Математическое моделирование ветровых волн в пространственно-неоднородном океане» описал встречу российского танкера-рефрижератора «Таганрогский залив» с волной-убийцей, которая произошла 27 апреля 1984 года:

«Волнение моря после 12 ч тоже несколько уменьшилось и не превышало 6 баллов. Ход судна был сбавлен до самого малого, оно слушалось руля и хорошо «отыгрывалось» на волне. Бак и палуба водой не заливались. Неожиданно в 13 ч 01 мин носовая часть судна несколько опустилась, и вдруг у самого форштевня под углом 10-15 градусов к курсу судна был замечен гребень одиночной волны, которая возвышалась на 4-5 м над баком (фальшборт бака отстоял от уровня воды на 11 м). Гребень мгновенно обрушился на бак и накрыл работающих там матросов (один из них погиб). Матросы рассказывали, что судно как бы плавно пошло вниз, скользя по волне, и «зарылось» в вертикальный срез ее фронтальной части. Никто удара не ощутил, волна плавно перекатилась через бак судна, накрыв его слоем воды толщиной более 2 м. Ни вправо, ни влево продолжения волны не было» [6].

В 1993 году наступила "реабилитация" волн-убийц - была сделана серия фотографий такой волны в Бискайском заливе от возникновения до затухания (см. рисунок 1.4 в главе 1). Поскольку было известно, что никакого землетрясения в тех краях не произошло, то стало очевидно, что в объектив фотографа попало отнюдь не цунами [4].

В 1995 году в результате удара по нефтяной платформе «Draupner», расположенной в Северном море, у побережья Норвегии, было получено первое надежное инструментальное свидетельство появления волны-убийцы. Буровую платформу «Draupner» в первый день нового года осаждали 10-метровые волны. В этом не было ничего необычного. Внезапно со скоростью 70 км/ч на нефтяную платформу обрушилась волна в три раза больше обычной. При ее ударе, лазер, установленный на платформе, зафиксировал точные показания этого «монстра». Гребень волны находился на высоте 27 метров (рисунок 3.4, [1]).

Рисунок 3.4 - Буровая платформа «Draupner» [1]

В том же 1995 году в Северном море серьёзное повреждение от гигантской волны получила буровая установка «Веслефрикк Б», принадлежащая компании Statoil. По свидетельству одного из членов экипажа, за несколько минут до удара он видел стену воды.

В то же время в Северной Атлантике при переходе в Нью-Йорк круизный лайнер «Куин Элизабет-2» попадает в ураган и принимает на носовую часть удар волны высотой 29 метров. «Ощущение было такое, что мы врезаемся в Белые скалы Дувра», - рассказывал капитан Рональд Уоррик [10].

В 2001 году на юге Атлантического океана суда "Бремен" и "Каледониан стар" были атакованы несколькими тридцатиметровыми волнами, которые повредили капитанские мостики и уничтожили навигационное оборудование [17].

В апреле 2005 года круизный лайнер «Norwegian Dawn», покинув Багамские острова, направлялся в гавань Нью-Йорка. Море слегка штормило, однако, из-за своей мощи, 300-метровому кораблю это не приносило никакого вреда. На лайнере находилось две с половиной тысячи пассажиров. Но внезапно лайнер резко накренился, а в следующие секунды гигантская волна обрушилась на его борт, выбивая иллюминаторы кают.

«Это был настоящий ад, -- рассказывал Джеймс Фрэйли, один из пассажиров, -- Потоки воды перекатывались через палубы. Мы принялись звонить родным и близким, чтобы попрощаться, решив, что корабль гибнет». Корабль отделался лишь небольшими повреждениями корпуса, смытым за борт имуществом и ранеными пассажирами [13].

Сообщения о смертоносных валах поступали и из многих уголков планеты. В том числе их видели на Черном море - «всего» десятиметровой высоты, но этого было достаточно, чтобы перевернуть несколько небольших траулеров (рисунок 3.5, [18]).

Рисунок 3.5 - Временная запись аномально высокой волны в Черном море, полученная 22 ноября 2001 г. [18]

В 2006 году такая волна обрушилась на британский паром «Понт-Авен», следовавший по проливу Па-де-Кале. Она разбила окна на высоте шестой палубы, причинив ранения нескольким пассажирам [16].

В марте 2010 года кипрский круизный лайнер «Louis Majesty» следовал из Барселоны в Геную. В это время в Средиземном море разбушевался шторм, который для 200-метрового корабля не представлял большой угрозы, если бы не 8-метровая волна, возникшая неизвестно откуда. Тонны воды, которые обрушились на салон лайнера, снесли окна и ограждения на пятом уровне, в салон хлынула вода. Двое пассажиров получили тяжелые травмы и погибли от большой кровопотери. Еще 17 человек получили ранения различной степени тяжести. Капитан судна не стал подавать сигнал SOS. Лайнер вернулся в Барселону, пострадавших госпитализировали, остальные пассажиры отправились домой. Всего на корабле находилось 1350 пассажиров и 580 членов экипажа [6].

Волны-убийцы стали предметом внимания для многих международных организаций, занимающихся проблемами безопасности судов и морских сооружений, таких как International Association of Classification Societies. Технические нормы и стандарты безопасности, разрабатываемые этими организациями, носят, как правило, рекомендательный характер для соответствующих национальных институтов. Вместе с тем некоторые национальные организации в последние годы пересматривают свои подходы к проблемам безопасности в море и переходят от стандартов «наиболее вероятная опасность» к стандартам «возможный риск» [10].



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Океанские волны являются одной из мощнейших стихий на Земле. Волны-убийцы - это внезапно возникающие на морской поверхности высочайшие волны. По определению, волнами-убийцами считаются волны, высота которых более чем вдвое превосходит значимую высоту волн.

Обычно волна-убийца описывается как быстро приближающаяся водяная стена огромной высоты. Перед ней движется впадина глубиной несколько метров - “дыра в море”. Высота волны обычно указывается именно как расстояние от высшей точки гребня до низшей точки впадины. По внешнему виду “волны-убийцы” делятся на три основных типа: “белая стена”, “три сестры” (группа из трех волн), одиночная волна (“одиночная башня”). По наблюдениям Государственного управления океанических и атмосферных исследовательских работ США (NOAA), волны-убийцы бывают рассеивающиеся и нерассеивающиеся.

Различные трагедии, связанные с волнами-убийцами, заставили научные сообщества активизировать свои усилия. В начале 90-х годов XX века европейское космическое агентство (ESA) запустило в космос два искусственных спутника Земли ERS-1 и ERS-2, которые окончательно подтвердили существование этих волн. Теперь с их помощью можно наблюдать за определенным районом океана и наносить на карту волновые колебания в любых условиях. Снимки со спутников были скомпонованы в так называемый атлас волн. Это карта горячих точек волн-убийц с указанием районов их формирования, длительности, существования и расстояния перемещения.

Первые описания вон-убийц появились еще в XIX веке, однако долгое время не признавались научным сообществом, так как не соответствовали представлениям классической гидрологии. Первым надежным инструментальным свидетельством появления волны-убийцы считаются показания приборов на нефтяной платформе “Дропнер”, расположенной в Северном море.

Именно из-за того, что эти волны изучены не полностью, имеется ряд предполагаемых причин их образования:

Движение с некоторой определенной скоростью фронта высокого атмосферного давления в направлении зоны низкого давления;

Наложение двух когерентных волн вызывает волну, высота которой равна сумме высот отдельных волн. Это явление называется интерференцией;

Подводное течение сталкивается с волнами, идущими в противоположном направлении, волны могут сжаться и устремиться вверх, сформировав волну-убийцу;

Разница в энергетических потенциалах разных слоев воды, которая при определенных обстоятельствах «разряжается», как в атмосфере во время грозы или смерча;

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;

Тип береговой линии и рельеф, естественные препятствия, например острова, отмель, рифы;

Течения, такие как Абул Хаз;

Влияние шторма, бушующего за сотни миль, а затем сильный ветер гонит волны в определенный район.

В настоящее время большинство исследователей склоняется к тому, что возникновение волн-убийц связано с нелинейностью волновой среды.

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.

Энергия этих волн приводит к разрушению судов в море, авариям на нефтяных платформах, в результате которых нередко фиксируются человеческие жертвы. Сообщения о смертоносных валах поступали из многих уголков планеты. Волны-убийцы стали предметом внимания для многих международных организаций, занимающихся проблемами безопасности судов и морских сооружений, таких как International Association of Classification Societies.

Таким образом, можно сделать вывод, что серьёзное изучение волн-убийц только-только начинается. Однако возможный механизм их возникновения уже известен. И это значит, что через какое-то время их появление можно будет также легко прогнозировать, как и погоду.

Конечная цель исследований волн-убийц - определение их параметров и разработка методов прогноза. Для этого необходимо изучать их статистику в различных акваториях Мирового океана в зависимости от многочисленных географических факторов (батиметрии морского дна, очертаний береговой линии, течений, циклонов, ураганов). Важное место здесь принадлежит физике формирования волн-убийц. Поняв механизмы их зарождения, ученые смогли бы районировать Мировой океан по степени риска, а также определить условия, предшествующие появлению волн-убийц.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Волны-убийцы - Интересные факты // Корабли и суда мира - Корабельный портал [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://korabley.net/news/volny_ubijcy/2010-05-01-556 - Дата доступа: 20.02.2013 г.

Волны-убийцы - не миф // Тайный мир Анубиса [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://anubis.sokrytoe.com/3578-volny-ubiycy-ne-mif.h.. - Дата доступа: 27.03.2013 г.

Солитоны - волны убийцы // Тайны мира, исторические документы, бизнес идеи. 95live.ru [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.95live.ru/world-secrets/killer-wave-solitons.html - Дата доступа: 17.02.2013 г.

Волны-убийцы (Эдуард Кукуй) // Проза.ру - национальный сервер современной прозы [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.proza.ru/2010/02/18/1286 - Дата доступа: 17.04.2013 г.

Волны-убийцы из хаоса не миф // ОКО ПЛАНЕТЫ информационно-аналитический портал [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://oko-planet.su/phenomen/phenomendiscussions/93531-volny-ubiycy-iz-haosa-ne-mif.html - Дата доступа: 01.03.2013 г.