Хвиля-вбивця» побачила світ
«Хвиля-вбивця» побачила світ
13 ГРУДНЯ, 15:34 // Олексій Петров
Гігантські «хвилі-вбивці», що зацікавили, нарешті, дослідників природи, штучно синтезовані в лабораторних умовах. Нікому досі не відомо, як саме ці величезні хвилі формуються в океанських водах, проте групі вчених з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Інституту нелінійної оптики та короткоімпульсної спектроскопії імені Макса Борна в Берліні вдалося створити їхні аналоги у світлових коливаннях. Дослідники сподіваються, що їхня робота допоможе розібратися в природі величезних хвиль, які досі є причиною загибелі багатьох суден.
Спочатку наукова спільнота не виявляла жодного інтересу до «хвиль-вбивців», або блукаючих хвиль, як їх іноді називають. Хвилі-одинаки висотою в десятки метрів залишалися лише предметами моряцьких оповідань та міфів. Однак наприкінці дев'яностих факт існування гігантських хвиль був зображений на плівку і не раз. Одна з таких хвиль обрушилася на нафтову платформу в Північному морі у 1995 році, інша була сфотографована у Біскайській затоці у 1993 році. Пізніше з'явилася маса інших свідчень, а минулого року з'явилися перші математичні теорії освіти «дев'ятих валів».
І ці хвилі продовжують становити загрозу для морських суден. Так, 2001 року хвиля заввишки 30 метрів накрила пасажирський лайнер у Південній Атлантиці. За оцінками фахівців, за два останнідесятиліття жертвами «хвиль-вбивць» стали понад 600 осіб та близько 200 морських суден.
Різні теорії освіти та поширення свідчать, що максимальна висота хвиль, нагнаних вітром, у земних умовах не може перевищувати двох десятків метрів, проте свідчення очевидців повідомляють про хвилі, висота яких перевищувала 30 метрів. Навіть допускаючи аномальну висоту хвиль, що утворюються в ході процесів, описаних в теорії, ці викладки пророкують дуже низьку ймовірність їх утворення і особливо виявлення на безкрайніх просторах світового океану.
Насправді ці хвилі утворюються набагато частіше, ніж вчені могли собі уявити.
Кілька років тому наукова спільнота змусила Європейський Союз розпочати міжнаціональний проект під назвою MaxWave, в якому задіяли два європейські супутники, які здійснюють радарну зйомку океанів. Цей проект і був націлений на пошук гігантських «хвиль-вбивць», у яких вже мало хто сумнівався.
Усього за три тижні спостережень у 2004 році учасники проекту засікли з десяток бродячих хвиль заввишки не менше 25 метрів.
Це, з одного боку, вказує на відмінність механізму утворення таких хвиль від тих, що вивчені та описані, і одночасно ставить вчених у глухий кут – жодна теорія освіти хвиль-вбивць, представлена на сьогоднішній день, не в змозі повністю пояснити частоту і характер цих явищ і залишаються недоведеними гіпотезами.
Висунуті теорії посилаються на інтерференцію та агрегування дрібніших морських хвиль у більші, крім того, існують припущення про вину незвичайних рухів повітряних мас у формуванні блукаючих хвиль.
Одне вченим відомо напевно – «хвилі-вбивці», поширюючись водною гладіною, можуть протягом довгогочасу зберігати свою форму та розмір. Саме тому гострі піки таких хвиль при безпосередньому спостереженні справляють враження гігантської водяної стіни.
Така властивість хвиль-гігантів споріднює їх з добре вивченими типами хвиль, названими солітонами, – самотніми хвилями, здатними долати великі відстані без руйнування та зміни своєї форми та розміру.
Солітони були вперше виявлені в XIX столітті в одному із шотландських каналів і привернули до себе чималий інтерес. В даний час вони добре вивчені і можуть бути легко відтворені в лабораторних умовах як у водному середовищі, так і у вигляді світлових коливань.
Саме тому Деніел Соллі, керівник робіт, і припустив можливість використання технологій створення світлових солітонів для створення світлових «хвиль-вбивць».
Процес створення світлових солітонів вимагає випромінювання світла у вигляді імпульсів у нелінійному оптичному хвилеводі, форма і частота імпульсів світла, що виходять з якого, залежать від параметрів вхідних хвиль нетривіальним чином. Вчені додали у вихідний сигнал трохи шуму – випадкових імпульсів різної тривалості та амплітуди, призначених для створення світлових солітонів.
Вихідний сигнал, отриманий в результаті накладання шуму на вихідний потік світлових імпульсів, виявився дуже насиченим, що складається з великої кількості світлових хвиль різної довжини.
В принципі, ці світлові аномалії можуть мати і випадковий характер, проте Соллі зазначає, що їх розподіл у часі дуже відрізняється від статистичного. Положення тут також схоже на ситуацію з океанськими «хвилями-вбивцями» – стандартні теорії освіти хвиль в океані передбачають їхню випадкову появу, але в середньому лише один раз на тисячоліття, а не по кількаштук на тиждень. Це невідповідність статистичних характеристик, вважає Соллі, безперечно вказує на творчу роль шумових сигналів, що фокусують енергію окремих імпульсів у вузькі та вкрай інтенсивні викиди світла.
За словами керівника команди фахівців Бахрама Джалалі, це перше спостереження штучних світлових «хвиль-вбивць», і ці хвилі дуже близькі за своїми властивостями до своїх морських аналогів.
Проте вчені не роблять аналогічних заяв щодо механізму формування цих двох феноменів – вони можуть докорінно відрізнятися. Втім, вчені обережно припускають, що формування морських «хвиль-вбивць» також відбувається через поєднання таких факторів, як невелике хвилювання, нелінійність та слабкий шумовий сигнал.
Нелінійність поширення морських хвиль – відомий факт, а наявність невеликого шумового сигналу цілком може забезпечити мінливий морський вітер. Незважаючи на те, що «хвилі-вбивці» досліджуються вже досить давно і інтенсивно, нові результати групи американських і німецьких учених можуть не тільки зробити внесок у розуміння механізмів їх утворення, а й призвести до формування стрункої теорії формування блукаючих хвиль.
І вже принаймні у вчених з'явилася відмінна модель для перевірки своїх теорій утворення хвиль-одинаків. Якщо вчені навчаться прогнозувати появи нешкідливих оптичних гігантських хвиль, то, можливо, дійде й до океанських. У тому, що це потрібно, сумніватися не доводиться.
Солітон- це усамітнена хвиля в середовищах різної фізичної природи, що зберігає незмінною свою форму і швидкість при поширенні. Від англ. solitary – відокремлена (solitary wave – відокремлена хвиля), «-він» – типовий суфікс для термінів такого роду (наприклад, електрон, фотон, татак далі), що означає подібність частки.
Поняття солітон запроваджено 1965 року американцями Норманом Забуски та Мартіном Крускалом, але честь відкриття солітону приписують британському інженеру Джону Скотту Расселу (1808–1882).
Здатність солітону зберігати при поширенні свою форму незмінною пояснюється тим, що його поведінка визначається двома діючими взаємно протилежно процесами. По-перше, це, так зване, нелінійне укручення (фронт хвилі досить великої амплітуди прагне перекинутися на ділянках наростання амплітуди, оскільки задні частки, що мають велику амплітуду, рухаються швидше, ніж біжать). По-друге, проявляється такий процес як дисперсія (залежність швидкості хвилі від її частоти, що визначається фізичними та геометричними властивостями середовища; при дисперсії різні ділянки хвилі рухаються з різними швидкостями та хвиля розпливається). Таким чином, нелінійне вкручування хвилі компенсується її розпливанням за рахунок дисперсії, що забезпечує збереження форми такої хвилі при її поширенні.
Відсутність вторинних хвиль при поширенні солітону свідчить про те, що енергія хвилі не розсіюється простором, а зосереджена в обмеженому просторі (локалізована). Локалізація енергії є відмінною якістю частинки.
Ще однією дивовижною особливістю солітонів, відзначеної ще Расселом, є їхня здатність зберігати свої швидкість і форму при проходженні один через одного. Єдиним нагадуванням про взаємодії, що відбулася, є постійні зміщення спостережуваних солітонів від положень, які вони займали б, якби не зустрілися. Є думка, що солітони не проходять один через одного, а відбиваються подібно до пружних куль, що зіткнулися. У цьому також проявляється аналогія солітонів зчастинками.
Квантовий дев'ятий валМинулого року математики вирахували умови, за яких виникають сумно знамениті «дев'яті вали» – надвисокі хвилі, здатні поглинути будь-яке судно. І стверджують, що після набору додаткових даних зможуть визначати місця найчастішого виникнення таких хвиль.
Океанографи і математики говорили, що хвилі заввишки 30 і більше метрів (в англомовній літературі їм запроваджено термін freak wave і rogue wave) повинні виникати раз на 10 000 років. Однак наступні супутникові спостереження показали, що це не так. Виявилося, що «хвилі-вбивці» виникають набагато частіше. Фактично спостереження показали, що у світовому океані такі хвилі виникають у кожен момент.
Оскільки така хвиля може разом поглинути круїзне судно або нафтову платформу (сучасні плавзасоби розраховані на те, щоб витримувати лише 15-метрові хвилі, а хвилі-гіганти можуть досягати 60 метрів у висоту), вчені спробували створити теорію виникнення таких хвиль.
Вчені залучили для опису та аналізу хвиль-гігантів систему двох нелінійно взаємодіючих хвиль, що описується рівняннями Шредінгера, які добре зарекомендували себе в квантовій механіці. Виявилось, що квантові рівняння добре працюють і тут.
«Ми представили теоретичне дослідження модуляційної нестабільності пари двовимірних хвиль, що нелінійно взаємодіють, на глибокій воді і показали, що повна динаміка цих взаємодіючих хвиль дає початок обмеженим пакетам хвиль великої амплітуди», – резюмують вчені свою статтю.
Фактично вчені за допомогою рівняння Шредінгера вивчили вплив різних швидкостей та кутів, під якими перетинаються у просторі дві хвилі. І встановили, що при перетині підвідносно невеликим кутом дві хвилі утворюють нову, більш ніж удвічі вище, ніж за звичайної взаємодії, цим породжуючи «дев'ятий вал».
Результати своєї роботи теоретики представили у Physical Review Letters. І кажуть, що тепер потрібні додаткові супутникові та океанографічні спостереження та статистичні підрахунки. І тоді вони зможуть встановити місця найімовірнішого виникнення «ненормальних» хвиль.