Необычные океанские волны-изгои: природа и механизмы возникновения

Введение

Неожиданно большие переходные волны поверхности океана – природное явление.

Волны-убийцы (также известные как волны-призраки, волны-монстры, эпизодические волны, экстремальные волны и аномальные волны) – необычно большие и непредсказуемые поверхностные волны, которые могут быть чрезвычайно опасны для кораблей и изолированных сооружений, таких как маяки. Они отличаются от цунами, которые часто почти незаметны в глубоких водах и вызваны перемещением воды вследствие других явлений (таких как землетрясения). Волну, обрушивающуюся на берег, иногда называют волной-сюрпризом. В океанографии волны-убийцы более точно определяются как волны, высота которых более чем в два раза превышает значительную высоту волны (H или SWH), определяемую как среднее значение самой большой трети волн в волновой записи. Волны-убийцы, по-видимому, не имеют единственной причины, но возникают там, где физические факторы, такие как сильные ветры и течения, приводят к слиянию волн, создавая одну исключительно большую волну. Среди других причин, исследования нелинейных волн, таких как солитон Перегрина, и волн, моделируемых нелинейным уравнением Шредингера (NLS), предполагают, что модуляционная нестабильность может создать необычное состояние моря, при котором "нормальная" волна начинает забирать энергию у соседних волн и на короткое время становится очень большой. Подобные явления не ограничиваются водой и изучаются также в жидком гелии, нелинейной оптике и микроволновых резонаторах. Исследование 2012 года показало, что помимо солитона Перегрина, достигающего высоты примерно в три раза превышающей высоту окружающего моря, может существовать иерархия волновых решений более высокого порядка, с постепенно увеличивающимися размерами, и продемонстрировано создание "суперволны" (дыхание, примерно в пять раз выше окружающих волн) в волновом резервуаре. Исследование 2012 года подтвердило существование океанических "волновых ям", обратных волнам-убийцам, глубина которых может достигать более чем в два раза превышающую значительную высоту волны. Волновые ямы были воспроизведены в экспериментах с волновыми резервуарами, но их существование в реальном мире пока не подтверждено. Однако их существование подтверждается видео- и фотосъемкой, спутниковыми снимками, радарами морской поверхности, стереоволновыми системами, датчиками давления на морском дне и океанографическими исследовательскими судами. "В 2004 году ученые, используя трехнедельные радарные снимки со спутников Европейского космического агентства, обнаружили десять волн-убийц, каждая из которых превышала высоту". Волна-убийца – это естественное океаническое явление, не вызванное движением суши, кратковременное, локализованное и чаще всего происходящее в открытом море. Следовательно, цунами не представляют угрозы для судоходства (например, единственные корабли, погибшие в азиатском цунами 2004 года, находились в порту). Они также отличаются от мегацунами, которые представляют собой одиночные массивные волны, вызванные внезапным воздействием, таким как падение метеорита или оползни в замкнутых или ограниченных водоемах. Они также отличаются от волн, описываемых как "столетние волны", которые являются чисто статистическим прогнозом самой высокой волны, которая может произойти за 100 лет в определенном водоеме. Доказано, что волны-убийцы могут приводить к внезапной гибели океанических судов. Хорошо задокументированные случаи включают грузовое судно MS München, потерпевшее крушение в 1978 году. В 2007 году Национальное управление океанических и атмосферных исследований США составило каталог из более чем 50 исторических инцидентов, вероятно связанных с волнами-убийцами.

Rogue waves (also known as freak waves, monster waves, episodic waves, killer waves, extreme waves, and abnormal waves) are unusually large and unpredictable surface waves that can be extremely dangerous to ships and isolated structures such as lighthouses. They are distinct from tsunamis, which are often almost unnoticeable in deep waters and are caused by the displacement of water due to other phenomena (such as earthquakes). A rogue wave at the shore is sometimes called a sneaker wave. In oceanography, rogue waves are more precisely defined as waves whose height is more than twice the significant wave height (H or SWH), itself defined as the mean of the largest third of waves in a wave record. Rogue waves do not appear to have a single distinct cause but occur where physical factors such as high winds and strong currents cause waves to merge to create a single exceptionally large wave. Among other causes, studies of nonlinear waves such as the Peregrine soliton, and waves modeled by the nonlinear Schrödinger equation (NLS), suggest that modulational instability can create an unusual sea state where a "normal" wave begins to draw energy from other nearby waves, and briefly becomes very large. Such phenomena are not limited to water and are also studied in liquid helium, nonlinear optics, and microwave cavities. A 2012 study reported that in addition to the Peregrine soliton reaching up to about three times the height of the surrounding sea, a hierarchy of higher order wave solutions could also exist having progressively larger sizes and demonstrated the creation of a "super rogue wave" (a breather around five times higher than surrounding waves) in a water wave tank. A 2012 study supported the existence of oceanic rogue holes, the inverse of rogue waves, where the depth of the hole can reach more than twice the significant wave height. Rogue holes have been replicated in experiments using water wave tanks but have not been confirmed in the real world. Their existence has also since been confirmed by video and photographs, satellite imagery, radar of the ocean surface, stereo wave imaging systems, pressure transducers on the sea floor, and oceanographic research vessels. "In 2004 scientists using three weeks of radar images from European Space Agency satellites found ten rogue waves, each or higher." A rogue wave is a natural ocean phenomenon that is not caused by land movement, only lasts briefly, occurs in a limited location, and most often happens far out at sea. therefore, tsunamis do not present a threat to shipping at sea (e. g., the only ships lost in the 2004 Asian tsunami were in port.). They are also distinct from megatsunamis, which are single massive waves caused by sudden impact, such as meteor impact or landslides within enclosed or limited bodies of water. They are also different from the waves described as "hundred year waves", which are a purely statistical prediction of the highest wave likely to occur in 100 years in a particular body of water. Rogue waves have now been proven to cause the sudden loss of some ocean going vessels. Well documented instances include the freighter MS München, lost in 1978. In 2007, the United States' National Oceanic and Atmospheric Administration compiled a catalogue of more than 50 historical incidents probably associated with rogue waves.

Ранние отчеты

В 1826 году французский ученый и морской офицер капитан Жюль Дюмон д'Урвилль сообщил о волнах высотой до в Индийском океане, и у него было трое коллег в качестве свидетелей, однако его публично высмеял коллега-ученый Франсуа Араго. В ту эпоху широко распространено было мнение, что ни одна волна не может превысить . Автор Сьюзан Кейси пишет, что значительная часть этого неверия была связана с тем, что очень мало кто видел rogue wave и остался жив; до появления стальных судов с двойным корпусом в XX веке "люди, столкнувшиеся с rogue wave высотой 30 метров (100 футов), как правило, не возвращались, чтобы рассказать об этом".

Исследования до 1995 года

Необычные волны изучались научным путем на протяжении многих лет (например, волна перевода Джона Скотта Рассела, исследование 1834 года, посвященное солитонной волне). Однако эти исследования не были концептуально связаны с рассказами моряков о встречах с гигантскими аномальными океанскими волнами, поскольку последние считались научно невероятными. С XIX века океанографы, метеорологи, инженеры и судостроители использовали статистическую модель, известную как гауссовская функция (или гауссовское море, или стандартная линейная модель), для прогнозирования высоты волн, исходя из предположения, что высоты волн в любом данном море плотно группируются вокруг центрального значения, равного среднему значению наибольшей трети волн, известной как значительная высота волны (SWH). В штормовом море со значением SWH, модель предполагает, что волна высотой более практически никогда не возникнет. Она предполагает, что волна высотой в может произойти, но лишь раз в 10 000 лет. Это базовое предположение широко принималось, хотя и признавалось приближением. Использование гауссовской формы для моделирования волн оставалось единственной основой практически всех публикаций на эту тему на протяжении последних 100 лет. Первая известная научная статья о "странных волнах" была написана профессором Лоуренсом Дрейпером в 1964 году. В этой статье он задокументировал усилия Национального института океанографии в начале 1960-х годов по регистрации высоты волн, и самая высокая зарегистрированная в то время волна составляла около 67 футов (20 м). Дрейпер также описал волновые провалы, характерные для странных волн. Однако даже в середине 1990-х годов большинство популярных учебников по океанографии, таких как учебник Пири, не содержали упоминаний об аномальных или странных волнах. Даже после волны Драупнера в 1995 году популярный учебник по океанографии Гросса (1996) лишь вскользь упомянул об аномальных волнах, просто заявив: "При экстраординарных обстоятельствах могут формироваться необычно большие волны, называемые аномальными волнами", не предоставляя никаких дополнительных деталей.

Волна Драупнера 1995 года

Волна Драупнера (или новогодняя волна) была первой волной-изгоем, зафиксированной измерительным прибором. Волна была зарегистрирована в 1995 году на блоке E платформы Draupner – комплекса для поддержки газопроводов, расположенного в Северном море примерно к юго-западу от южной оконечности Норвегии. Показания были подтверждены другими датчиками. Платформа получила незначительные повреждения. В этом районе SWH составлял около , поэтому волна Драупнера была более чем в два раза выше и круче, чем соседние волны, с характеристиками, выходящими за рамки любой известной волновой модели. Волна вызвала огромный интерес в научном сообществе. Некоторые исследования подтверждают, что наблюдаемое распределение высоты волн в целом хорошо соответствует распределению Рэлея. Однако в мелководье во время событий с высокой энергией, чрезвычайно высокие волны встречаются реже, чем предсказывает эта модель. В ноябре 2000 года в Бресте состоялся первый семинар Rogue Waves 2000, собравший ведущих исследователей мира. В 2000 году британское океанографическое судно RRS Discovery зафиксировало волну у побережья Шотландии вблизи Рокалла. Это было научно-исследовательское судно, оснащенное высококачественным оборудованием. Последующий анализ показал, что в условиях сильного шторма со средней скоростью ветра около , бортовой волновой регистратор измерил отдельные волны высотой до от гребня до основания, а максимальный SWH составил . Это были одни из самых больших волн, зарегистрированных научными приборами к тому времени. Авторы отметили, что современные модели прогнозирования волн, как правило, значительно недооценивают экстремальные морские состояния для волн со значительной высотой (Hs) выше . Анализ этого события занял несколько лет, и было отмечено, что "ни один из самых современных прогнозов погоды и волновых моделей, на которые полагаются все суда, нефтяные платформы, рыболовство и пассажирские катера, не предсказал этих гигантов". Проще говоря, научной модели (а также метода проектирования судов) для описания встречающихся волн не существовало. Это открытие широко освещалось в прессе, где сообщалось, что "согласно всем теоретическим моделям того времени при таких конкретных погодных условиях волны такого размера не должны были существовать". В 2004 году в рамках проекта ESA MaxWave было идентифицировано более 10 отдельных гигантских волн высотой более в течение короткого трехнедельного периода обследования в ограниченном районе Южной Атлантики. Спутники ERS ESA помогли установить широкое распространение этих "изгоев". К 2007 году было доказано, что волны с высотой от гребня до основания происходят гораздо чаще, чем считалось ранее. В настоящее время известно, что волны-изгои возникают во всех океанах мира много раз в день. Волны-изгои теперь признаны обычным явлением. Профессор Ахмедиев из Австралийского национального университета заявил, что в мировом океане в любой момент времени существует 10 волн-изгоев. Некоторые исследователи предполагают, что примерно три из каждых 10 000 волн в океанах достигают статуса "изгоев", но в определенных местах, таких как прибрежные заливы и устья рек, эти экстремальные волны могут составлять три из каждых 1000 волн, поскольку энергия волн может быть сфокусирована. Волны-изгои также могут возникать в озерах. В озере Верхнем, как говорят, возникает явление, известное как "Три сестры", когда формируется серия из трех больших волн. Вторая волна ударяет по палубе судна до того, как первая волна отступит. Третья входящая волна добавляется к двум накопленным оттокам и внезапно перегружает палубу судна тоннами воды. Это явление является одной из теоретических причин затопления судна "Лейк-Спириор" в ноябре 1975 года. Исследование 2012 года сообщило, что в дополнение к солитону Перегрина, достигающему примерно в 3 раза высоты окружающего моря, может существовать иерархия волновых решений более высокого порядка, имеющих постепенно увеличивающиеся размеры, и продемонстрировало создание "супер-изгоя" типа "дыхание" примерно в 5 раз выше окружающих волн в резервуаре с водой. В морском фольклоре истории о "волновых ямах" так же распространены, как и истории о волнах-изгоях. Они вытекали из теоретического анализа, но никогда не были доказаны экспериментально. Термин "волна-изгой" стал почти универсальным, используемым учеными для описания изолированных волн большой амплитуды, которые возникают чаще, чем ожидается для нормальных, гауссовских статистических событий. Волны-изгои кажутся повсеместными и не ограничиваются океанами. Они проявляются в других контекстах и недавно были зарегистрированы в жидком гелии, нелинейной оптике и микроволновых резонаторах. Морские исследователи теперь единодушно признают, что эти волны относятся к определенному типу морских волн, не учитываемых в традиционных моделях ветровых волн. В статье 2015 года изучалось поведение волн вокруг волны-изгоя, включая оптические и волну Драупнера, и было заключено, что "изгои не обязательно появляются без предупреждения, но часто им предшествует короткий период относительного порядка". В 2019 году исследователям удалось создать волну с характеристиками, аналогичными волне Драупнера (крутизна и разрушение), и пропорционально большей высотой, используя несколько волновых фронтов, встречающихся под углом 120°. Предыдущие исследования убедительно показали, что волна является результатом взаимодействия волн из разных направлений ("перекрещивающиеся моря"). Их исследование также показало, что поведение разрушения волн не всегда соответствует ожидаемому. Если волны встречались под углом менее примерно 60°, то верхняя часть волны "ломалась" вбок и вниз ( "обрушивающийся вал"). Однако при угле примерно 60° и более волна начинала разрушаться вертикально вверх, создавая пик, который, как правило, не уменьшал высоту волны, а наоборот, увеличивал ее ("вертикальный струй"). Они также показали, что крутизну волн-изгоев можно воспроизвести таким образом. Наконец, они отметили, что оптические приборы, такие как лазер, использованный для волны Драупнера, могут быть несколько сбиты с толку брызгами на вершине волны, если она разрушается, и это может привести к неопределенности в высоте волны примерно в . Они заключили, что "начало и тип разрушения волны играют значительную роль и существенно различаются для перекрещивающихся и неперекрещивающихся волн. Важно отметить, что разрушение становится менее ограничивающим амплитуду гребня при достаточно больших углах пересечения и включает образование почти вертикальных струй".

The Draupner wave (or New Year's wave) was the first rogue wave to be detected by a measuring instrument. The wave was recorded in 1995 at Unit E of the Draupner platform, a gas pipeline support complex located in the North Sea about southwest from the southern tip of Norway. The reading was confirmed by the other sensors. The platform sustained minor damage in the event. In the area, the SWH was about , so the Draupner wave was more than twice as tall and steep as its neighbors, with characteristics that fell outside any known wave model. The wave caused enormous interest in the scientific community. Some research confirms that observed wave height distribution, in general, follows well the Rayleigh distribution. Still, in shallow waters during high energy events, extremely high waves are rarer than this particular model predicts. A workshop of leading researchers in the world attended the first Rogue Waves 2000 workshop held in Brest in November 2000. In 2000, British oceanographic vessel RRS Discovery recorded a wave off the coast of Scotland near Rockall. This was a scientific research vessel fitted with high quality instruments. Subsequent analysis determined that under severe gale force conditions with wind speeds averaging , a ship borne wave recorder measured individual waves up to from crest to trough, and a maximum SWH of These were some of the largest waves recorded by scientific instruments up to that time. The authors noted that modern wave prediction models are known to significantly under predict extreme sea states for waves with a significant height (Hs) above The analysis of this event took a number of years and noted that "none of the state of the art weather forecasts and wave modelsthe information upon which all ships, oil rigs, fisheries, and passenger boats relyhad predicted these behemoths." Simply put, a scientific model (and also ship design method) to describe the waves encountered did not exist. This finding was widely reported in the press, which reported that "according to all of the theoretical models at the time under this particular set of weather conditions, waves of this size should not have existed". In 2004, the ESA MaxWave project identified more than 10 individual giant waves above in height during a short survey period of three weeks in a limited area of the South Atlantic. The ESA's ERS satellites have helped to establish the widespread existence of these "rogue" waves. By 2007, it was further proven via satellite radar studies that waves with crest to trough heights of occur far more frequently than previously thought. Rogue waves are now known to occur in all of the world's oceans many times each day. Rogue waves are now accepted as a common phenomenon. Professor Akhmediev of the Australian National University has stated that 10 rogue waves exist in the world's oceans at any moment. Some researchers have speculated that roughly three of every 10,000 waves on the oceans achieve rogue status, yet in certain spotssuch as coastal inlets and river mouthsthese extreme waves can make up three of every 1,000 waves, because wave energy can be focused. Rogue waves may also occur in lakes. A phenomenon known as the "Three Sisters" is said to occur in Lake Superior when a series of three large waves forms. The second wave hits the ship's deck before the first wave clears. The third incoming wave adds to the two accumulated backwashes and suddenly overloads the ship deck with tons of water. The phenomenon is one of various theorized causes of the sinking of the on Lake Superior in November 1975. A 2012 study reported that in addition to the Peregrine soliton reaching up to about 3 times the height of the surrounding sea, a hierarchy of higher order wave solutions could also exist having progressively larger sizes, and demonstrated the creation of a "super rogue a breather around 5 times higher than surrounding wavesin a water tank. In maritime folklore, stories of rogue holes are as common as stories of rogue waves. They had followed from theoretical analysis but had never been proven experimentally. "Rogue wave" has become a near universal term used by scientists to describe isolated, large amplitude waves that occur more frequently than expected for normal, Gaussian distributed, statistical events. Rogue waves appear ubiquitous and are not limited to the oceans. They appear in other contexts and have recently been reported in liquid helium, nonlinear optics, and microwave cavities. Marine researchers universally now accept that these waves belong to a specific kind of sea wave, not considered by conventional models for sea wind waves. A 2015 paper studied the wave behavior around a rogue wave, including optical and the Draupner wave, and concluded, "rogue events do not necessarily appear without warning but are often preceded by a short phase of relative order". In 2019, researchers succeeded in producing a wave with similar characteristics to the Draupner wave (steepness and breaking), and proportionately greater height, using multiple wavetrains meeting at an angle of 120°. Previous research had strongly suggested that the wave resulted from an interaction between waves from different directions ("crossing seas"). Their research also highlighted that wave breaking behavior was not necessarily as expected. If waves met at an angle less than about 60°, then the top of the wave "broke" sideways and downwards (a "plunging breaker"). Still, from about 60° and greater, the wave began to break vertically upwards, creating a peak that did not reduce the wave height as usual but instead increased it (a "vertical jet"). They also showed that the steepness of rogue waves could be reproduced in this manner. Finally, they observed that optical instruments such as the laser used for the Draupner wave might be somewhat confused by the spray at the top of the wave if it broke, and this could lead to uncertainties of around in the wave height. They concluded, " the onset and type of wave breaking play a significant role and differ significantly for crossing and noncrossing waves. Crucially, breaking becomes less crest amplitude limiting for sufficiently large crossing angles and involves the formation of near vertical jets".

Наиболее экстремальные волны

17 ноября 2020 года буй, закрепленный в толще воды на банке Амфитрит в Тихом океане у Уклюелета, остров Ванкувер, Британская Колумбия, Канада, зарегистрировал одинокую высокую волну среди окружающих волн высотой около. Волна превысила окружающие значительные высоты волн в 2,93 раза. Когда факт регистрации волны был обнародован в феврале 2022 года, одна научная статья вызвала споры вокруг события в Уклюелете. Анализ научных работ, посвященных явлениям "неправильных волн" с 2005 года, показал, что утверждения о рекордной природе и редкости волны были ошибочными. В статье Oceanic rogue waves, опубликованной Dysthe, Krogstad и Muller, описывается событие в Черном море в 2004 году, которое было значительно более экстремальным, чем волна у Уклюелета. Буй Datawell Waverider зафиксировал волну, высота которой в 3,91 раза превышала значительную высоту волны, как подробно описано в статье. Тщательная проверка буя после регистрации не выявила никаких неисправностей. Авторы статьи о событии в Черном море оценили волну как "аномальную" и предложили несколько теорий о том, как могла возникнуть такая экстремальная волна. Событие в Черном море отличается тем, что, как и волна у Уклюелета, оно было зарегистрировано высокоточным прибором. В статье Oceanic rogue waves также сообщается о еще более экстремальных волнах из другого источника, однако, по оценке самих авторов данных, они могли быть завышены. Кроме того, в статье И. Николкиной и И. Диденкуловой также приводятся данные о волнах, более экстремальных, чем волна у Уклюелета. Из статьи следует, что в 2006 году в море со значительной высотой волны возникла волна, коэффициент превышения которой составил 5,38 – почти вдвое больше, чем у волны у Уклюелета. В статье также отмечается, что инцидент с MV Pont Aven был лишь немного более экстремальным, чем событие у Уклюелета. В статье также оценивается сообщение о волне высотой в значительной высоте волны, но достоверность этого сообщения ставится под сомнение. Наконец, возможно, самое экстремальное событие с неправильной волной, когда-либо зарегистрированное (но не высокоточным прибором), описано в статье Крейга Б. Смита. В результате этого инцидента в "спокойном море" поднялась водяная стена. Такие "экстремальные" неправильные волны редки, но могут представлять опасность для любого судна в океане.

On 17 November 2020, a buoy moored in of water on Amphitrite Bank in the Pacific Ocean off Ucluelet, Vancouver Island, British Columbia, Canada, at recorded a lone tall wave among surrounding waves about in height. The wave exceeded the surrounding significant wave heights by a factor of 2.93. When the wave's detection was revealed to the public in February 2022, one scientific paper

The Ucluelet event generated controversy. Analysis of scientific papers dealing with rogue wave events since 2005 revealed the claims for the record setting nature and rarity of the wave to be incorrect. The paper Oceanic rogue waves by Dysthe, Krogstad and Muller reports on an event in the Black Sea in 2004 which was far more extreme than the Ucluelet wave, where the Datawell Waverider buoy reported a wave that was 3.91 times the significant wave height, as detailed in the paper. Thorough inspection of the buoy after the recording revealed no malfunction. The authors of the paper that reported the Black Sea event assessed the wave as "anomalous" and suggested several theories on how such an extreme wave may have arisen. What sets the Black Sea event apart is that it, like the Ucluelet wave, was recorded with a high precision instrument. The Oceanic rogue waves paper also reports even more extreme waves from a different source, but these were possibly overestimated, as assessed by the data's own authors. Furthermore, a paper by I. Nikolkina and I. Didenkulova also reveals waves more extreme than the Ucluelet wave. From the paper, they infer that in 2006 a wave appeared in a sea with a significant wave height of The factor difference is 5.38, almost twice that of the Ucluelet wave. The paper also reveals the MV Pont Aven incident as marginally more extreme than the Ucluelet event. The paper also assesses a report of an wave in a significant wave height of , but casts doubt on that claim. Finally, perhaps the most extreme rogue wave event ever recorded (but not by a high precision instrument), is revealed by Craig B. Smith's paper. The incident saw a wall of water arise in "calm seas." Such "extreme" rogue waves are rare but could pose a danger to any ship in the oceans.

Причины

Поскольку феномен аномальных волн все еще является предметом активных исследований, преждевременно однозначно утверждать о наиболее распространенных причинах их возникновения или об их вариативности в зависимости от места. Области с наиболее предсказуемым риском, по всей видимости, находятся там, где сильное течение движется навстречу основному направлению распространения волн; одной из таких областей является район вблизи мыса Агульяс у южной оконечности Африки. Теплое течение Агульяс направлено к юго-западу, в то время как преобладающие ветры – западные, однако, поскольку данная гипотеза не объясняет существование всех зарегистрированных волн, вероятно наличие нескольких различных механизмов с локальными особенностями. К предполагаемым механизмам формирования экстремальных волн относятся:

Дифракционная фокусировка. Согласно этой гипотезе, форма береговой линии или рельеф морского дна направляет несколько небольших волн таким образом, чтобы они встретились в фазе. Высоты их гребней суммируются, создавая экстремальную волну. Фокусировка течениями. Волны из одного течения сталкиваются с встречным течением. Это приводит к уменьшению длины волны, вызывая оползнение (то есть увеличение высоты волны), и сжатие волновых пакетов в аномальную волну. Масштабная аномальная волна, соответствующая уравнению НЛС (солитон Перегрина), была воспроизведена в лабораторном волновом резервуаре в 2011 году. Нормальная часть волнового спектра. Некоторые исследования утверждают, что многие волны, классифицируемые как аномальные (при условии, что они превышают в два раза SWH), не являются экстремальными, а представляют собой редкие случайные выборки из распределения высоты волны и, следовательно, статистически ожидаются с частотой примерно одна аномальная волна каждые 28 часов. Этот вопрос часто обсуждается как вопрос о том, являются ли экстремальные волны редкими реализациями типичной популяции или типичными реализациями редкой популяции. Согласно этой гипотезе, большинство реальных столкновений с огромными волнами можно объяснить линейной теорией волн (или слабо нелинейными ее модификациями) без необходимости в специальных механизмах, таких как модуляционная нестабильность. Недавние исследования, анализирующие миллиарды измерений волн, полученных с помощью волновых буев, показывают, что частота возникновения аномальных волн в океане может быть объяснена линейной теорией при учете конечной спектральной полосы частот волнового спектра. Однако, способна ли слабо нелинейная динамика объяснить даже самые большие аномальные волны (например, те, которые превышают в три раза значительную высоту волны, что было бы крайне редко в линейной теории), пока неизвестно. Это также привело к критике, ставящей под вопрос целесообразность определения аномальных волн исключительно по их относительной высоте. Взаимодействие ветра и волн. Хотя ветер сам по себе вряд ли способен создать аномальную волну, его влияние в сочетании с другими механизмами может дать более полное объяснение феномену экстремальных волн. Когда ветер дует над океаном, энергия передается на поверхность моря. Когда сильные ветры, вызванные штормом, дуют в направлении, противоположном океанскому течению, возникающие силы могут быть достаточно сильными, чтобы случайно генерировать аномальные волны. Теории механизмов нестабильности для генерации и роста ветровых волн (хотя и не для объяснения причин возникновения аномальных волн) предложены Филлипсом и Майлзом. Пространственно-временная фокусировка, наблюдаемая в уравнении НЛС, также может возникать при исключении нелинейности. В этом случае фокусировка обусловлена в основном тем, что различные волны приходят в фазу, а не процессами передачи энергии. Дальнейший анализ аномальных волн с использованием полностью нелинейной модели Р.Г. Гиббса (2005) ставит этот режим под сомнение, поскольку показано, что типичная волновая группа фокусируется таким образом, чтобы создать значительную водяную стену за счет уменьшения высоты. Аномальная волна и глубокий желоб, обычно наблюдаемые до и после нее, могут существовать всего несколько минут, прежде чем разрушиться или снова уменьшиться в размерах. Помимо одиночной волны, аномальная волна может быть частью волнового пакета, состоящего из нескольких аномальных волн. Такие группы аномальных волн наблюдались в природе.

Diffractive focusing According to this hypothesis, coast shape or seabed shape directs several small waves to meet in phase. Their crest heights combine to create a freak wave. Focusing by currents Waves from one current are driven into an opposing current. This results in shortening of wavelength, causing shoaling (i. e., increase in wave height), and oncoming wave trains to compress together into a rogue wave. A small scale rogue wave consistent with the NLS on (the Peregrine soliton) was produced in a laboratory water wave tank in 2011. Normal part of the wave spectrum Some studies argue that many waves classified as rogue waves (with the sole condition that they exceed twice the SWH) are not freaks but just rare, random samples of the wave height distribution, and are, as such, statistically expected to occur at a rate of about one rogue wave every 28 hours. This is commonly discussed as the question "Freak Waves: Rare Realizations of a Typical Population Or Typical Realizations of a Rare Population?" According to this hypothesis, most real world encounters with huge waves can be explained by linear wave theory (or weakly nonlinear modifications thereof), without the need for special mechanisms like the modulational instability. Recent studies analyzing billions of wave measurements by wave buoys demonstrate that rogue wave occurrence rates in the ocean can be explained with linear theory when the finite spectral bandwidth of the wave spectrum is taken into account. However, whether weakly nonlinear dynamics can explain even the largest rogue waves (such as those exceeding three times the significant wave height, which would be exceedingly rare in linear theory) is not yet known. This has also led to criticism questioning whether defining rogue waves using only their relative height is meaningful in practice. Wind wave interactions While wind alone is unlikely to generate a rogue wave, its effect combined with other mechanisms may provide a fuller explanation of freak wave phenomena. As the wind blows over the ocean, energy is transferred to the sea surface. When strong winds from a storm blow in the ocean current's opposing direction, the forces might be strong enough to generate rogue waves randomly. Theories of instability mechanisms for the generation and growth of wind waves – although not on the causes of rogue waves – are provided by Phillips and Miles. The spatiotemporal focusing seen in the NLS equation can also occur when the non linearity is removed. In this case, focusing is primarily due to different waves coming into phase rather than any energy transfer processes. Further analysis of rogue waves using a fully nonlinear model by R. H. Gibbs (2005) brings this mode into question, as it is shown that a typical wave group focuses in such a way as to produce a significant wall of water at the cost of a reduced height. A rogue wave, and the deep trough commonly seen before and after it, may last only for some minutes before either breaking or reducing in size again. Apart from a single one, the rogue wave may be part of a wave packet consisting of a few rogue waves. Such rogue wave groups have been observed in nature.

Другие медиа

Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) наблюдали явления бродячих волн в микроструктурированных оптических волокнах вблизи порога генерации солитонного суперконтинуума и охарактеризовали начальные условия для генерации бродячих волн в любой среде. Исследования в области оптики выявили роль нелинейной структуры, называемой солитоном Перегрина, которая может объяснить волны, возникающие и исчезающие без следа.

Сообщенные случаи

Многие из этих случаев сообщаются только в средствах массовой информации и не являются примерами внезапных волн в открытом океане. Часто в популярной культуре любую опасную огромную волну неточно называют "внезапной волной", хотя не доказано, что описанное событие соответствует научному определению внезапной волны – то есть обладает характеристиками, существенно отличающимися от окружающих волн при данном состоянии моря, и имеет крайне низкую вероятность появления. В этом разделе представлен лишь ограниченный перечень заметных инцидентов.

19 век

Маяк острова Орла (1861) – Вода разбила стекла восточной башни и затопила её, что указывает на то, что волна перехлестнула через скалу и накрыла башню. Маяк островов Фланнан (1900) – Три смотрителя маяка исчезли после шторма, после которого над уровнем моря было обнаружено оборудование, поврежденное волнами.

21 век

Датчики давления на океанском дне, разработанные в 2004 году в Военно-морской исследовательской лаборатории США, зафиксировали аномальную волну, вызванную ураганом Иван в Мексиканском заливе. Высота волны составляла около от гребня до впадины, а длина – около . Их компьютерное моделирование также показало, что высота волн в области "стенки глаза" урагана могла превышать . В эпизоде телешоу "Самая опасная работа" ("Deadliest Catch") представлены кадры, снятые с судна "Aleutian Ballad" (Берингово море, 2005), на которых запечатлена волна высотой 60 футов (18 м). Волна обрушилась на корабль ночью, повредив его, в результате чего судно на короткое время наклонилось на бок. Это одна из немногих видеозаписей, запечатлевших, возможно, волну-убийцу. В 2006 году исследователи из Военно-морского института США предположили, что волны-убийцы могут быть причиной необъяснимой гибели низколетящих воздушных судов, таких как вертолеты береговой охраны США во время поисково-спасательных операций. В марте 2010 года круизный лайнер MS Louis Majesty (Средиземное море) был поражен тремя последовательными волнами во время пересечения залива Льва по маршруту между Картахеной и Марселем. Два пассажира погибли, когда вторая и третья волны разбили окно лаунжа, и их задело осколками стекла. Волны, обрушившиеся без предупреждения, были аномально высокими по сравнению с высотой волнения моря в момент происшествия. В 2011 году судно Sea Shepherd MV Brigitte Bardot было повреждено волной-убийцей высотой 11 м (36,1 фута) во время преследования японского китобойного флота у западного побережья Австралии 28 декабря 2011 года. MV Brigitte Bardot был сопровожден обратно в Фримантл флагманским судном SSCS, MV Steve Irwin. Основной корпус судна был треснут, а левый понтон удерживался вместе ремнями. Судно прибыло в порт Фримантл 5 января 2012 года. За обоими судами следовало судно охраны ICR MV Shōnan Maru 2 на расстоянии 5 морских миль (9 км). В 2019 году остатки внетропического циклона, образовавшегося после урагана Дориан, вызвали волну-убийцу высотой 30 м (100 футов) у побережья Ньюфаундленда. В 2022 году круизный лайнер Viking Polaris был поражен волной-убийцей по пути в Ушуайю, Аргентина. Один человек погиб, четверо получили ранения, и запланированный маршрут судна в Антарктиду был отменен.

U. S. Naval Research Laboratory ocean floor pressure sensors detected a freak wave caused by Hurricane Ivan in the Gulf of Mexico, 2004. The wave was around high from peak to trough, and around long. Their computer models also indicated that waves may have exceeded in the eyewall. Aleutian Ballad, (Bering Sea, 2005) footage of what is identified as an 60 feet (18 m) wave appears in an episode of Deadliest Catch. The wave strikes the ship at night and cripples the vessel, causing the boat to tip for a short period onto its side. This is one of the few video recordings of what might be a rogue wave. In 2006, researchers from U. S. Naval Institute theorized rogue waves may be responsible for the unexplained loss of low flying aircraft, such as U. S. Coast Guard helicopters during search and rescue missions. MS Louis Majesty (Mediterranean Sea, March 2010) was struck by three successive waves while crossing the Gulf of Lion on a Mediterranean cruise between Cartagena and Marseille. Two passengers were killed by flying glass when the second and third waves shattered a lounge window. The waves, which struck without warning, were all abnormally high in respect to the sea swell at the time of the incident. In 2011, the Sea Shepherd vessel MV Brigitte Bardot was damaged by a rogue wave of 11 m (36.1 ft) while pursuing the Japanese whaling fleet off the western coast of Australia on 28 December 2011. The MV Brigitte Bardot was escorted back to Fremantle by the SSCS flagship, MV Steve Irwin. The main hull was cracked, and the port side pontoon was being held together by straps. The vessel arrived at Fremantle Harbor on 5 January 2012. Both ships were followed by the ICR security vessel MV Shōnan Maru 2 at a distance of 5 nautical miles (9 km). In 2019, Hurricane Dorian's extratropical remnant generated a 100 feet (30 m) rogue wave off the coast of Newfoundland. In 2022, the Viking cruise ship Viking Polaris was hit by a rogue wave on its way to Ushuaia, Argentina. One person died, four more were injured, and the ship's scheduled route to Antarctica was canceled.

Количественное определение воздействия волн на корабли

Потеря судна в 1978 году предоставила одни из первых физических доказательств существования аномальных волн. München был современным грузовым судном, оснащенным несколькими водонепроницаемыми отсеками и укомплектованным опытным экипажем. Судно было потеряно вместе со всем экипажем, и обломки так и не были найдены. Единственным найденным доказательством стала спасательная шлюпка, извлеченная из плавающих обломков спустя некоторое время. Спасательные шлюпки крепились на носовых и кормовых блоках над ватерлинией. Швартовы были выгнуты от носа к корме, что указывало на то, что шлюпка, подвешенная ниже, была поражена волной, прошедшей от носа до кормы судна и сорвавшей шлюпку. Чтобы оказать такое усилие, волна должна была быть значительно выше. На момент расследования существование аномальных волн считалось настолько статистически маловероятным, что было почти невозможным. Следовательно, расследование Морского суда пришло к выводу, что неблагоприятные погодные условия каким-то образом вызвали «необычное происшествие», приведшее к затоплению München. В 1980 году MV Derbyshire был потерян во время тайфуна «Орхидея» к югу от Японии вместе со всем экипажем. «Дербишир» был грузовым сухогрузом, построенным в 1976 году. Его валовая вместимость составляла 91 655 тонн, и он был, и остается, самым большим британским судном, когда-либо потерпевшим крушение в море. Обломки были обнаружены в июне 1994 года. Исследовательская группа использовала дистанционно управляемый аппарат для фотосъемки обломков. Частный отчет, опубликованный в 1998 году, побудил британское правительство возобновить официальное расследование обстоятельств гибели судна. В ходе расследования был проведен всесторонний осмотр Институтом океанографии Вудс-Холл, в результате которого было сделано 135 774 снимка обломков во время двух экспедиций. Официальное судебно-медицинское расследование пришло к выводу, что корабль затонул из-за разрушения конструкции и сняло с экипажа всякую ответственность. В отчете была установлена подробная последовательность событий, приведших к разрушению корпуса судна. Позднее Дуглас Фолкнер, профессор морской архитектуры и океанической инженерии Университета Глазго, провел третий всесторонний анализ. Его отчет 2001 года связал потерю «Дербишира» с развивающейся наукой об экстремальных волнах, придя к выводу, что «Дербишир» почти наверняка был уничтожен аномальной волной. Работа моряка и писателя Крейга Б. Смита в 2007 году подтвердила предыдущую судебно-медицинскую работу Фолкнера 1998 года и установила, что «Дербишир» подвергся гидростатическому давлению, эквивалентному «статическому столбу» воды высотой около , с соответствующим статическим давлением около . Фактически, это соответствовало потоку морской воды (возможно, сверх-аномальной волны) через судно. Было установлено, что грузовые люки на палубе «Дербишира» стали ключевой точкой разрушения, когда аномальная волна обрушилась на судно. Конструкция люков допускала статическое давление менее чем воды или , что означает, что нагрузка от тайфуна на люки была более чем в 10 раз выше проектной. Судебный анализ обломков «Дербишира» в настоящее время считается неопровержимым. Смит задокументировал сценарии, при которых может возникать гидродинамическое давление до или более 500 метрических тонн/м2.

The loss of the in 1978 provided some of the first physical evidence of the existence of rogue waves. München was a state of the art cargo ship with multiple water tight compartments and an expert crew. She was lost with all crew, and the wreck has never been found. The only evidence found was the starboard lifeboat recovered from floating wreckage sometime later. The lifeboats hung from forward and aft blocks above the waterline. The pins had been bent back from forward to aft, indicating the lifeboat hanging below it had been struck by a wave that had run from fore to aft of the ship and had torn the lifeboat from the ship. To exert such force, the wave must have been considerably higher than At the time of the inquiry, the existence of rogue waves was considered so statistically unlikely as to be near impossible. Consequently, the Maritime Court investigation concluded that the severe weather had somehow created an "unusual event" that had led to the sinking of the München. In 1980, the MV Derbyshire was lost during Typhoon Orchid south of Japan, along with all of her crew. The Derbyshire was an ore bulk oil combination carrier built in 1976. At 91,655 gross register tons, she wasand remainsthe largest British ship ever lost at sea. The wreck was found in June 1994. The survey team deployed a remotely operated vehicle to photograph the wreck. A private report published in 1998 prompted the British government to reopen a formal investigation into the sinking. The investigation included a comprehensive survey by the Woods Hole Oceanographic Institution, which took 135,774 pictures of the wreck during two surveys. The formal forensic investigation concluded that the ship sank because of structural failure and absolved the crew of any responsibility. Most notably, the report determined the detailed sequence of events that led to the structural failure of the vessel. A third comprehensive analysis was subsequently done by Douglas Faulkner, professor of marine architecture and ocean engineering at the University of Glasgow. His 2001 report linked the loss of the Derbyshire with the emerging science on freak waves, concluding that the Derbyshire was almost certainly destroyed by a rogue wave. Work by sailor and author Craig B. Smith in 2007 confirmed prior forensic work by Faulkner in 1998 and determined that the Derbyshire was exposed to a hydrostatic pressure of a "static head" of water of about with a resultant static pressure of This is in effect of seawater (possibly a super rogue wave) flowing over the vessel. The deck cargo hatches on the Derbyshire were determined to be the key point of failure when the rogue wave washed over the ship. The design of the hatches only allowed for a static pressure less than of water or , meaning that the typhoon load on the hatches was more than 10 times the design load. The forensic structural analysis of the wreck of the Derbyshire is now widely regarded as irrefutable. Smith has documented scenarios where hydrodynamic pressure up to or over 500 metric tonnes/m2 could occur.

Стандартные требования к конструкции

В ноябре 1997 года Международная морская организация приняла новые правила, касающиеся живучести и прочностных требований для судов для перевозки насыпных грузов и больше. Переборки и двойное дно должны быть достаточно прочными, чтобы судно могло выдержать затопление одного трюма без ограничений на загрузку. Неправильные волны представляют значительную опасность по нескольким причинам: они редки, непредсказуемы, могут возникать внезапно или без предупреждения и способны оказывать колоссальное воздействие. Волна в обычной "линейной" модели имела бы разрушающую силу, однако современные суда обычно рассчитаны на выдерживание разрушающей волны в 15 т/м². Неправильная волна может значительно превысить эти показатели, обладая разрушающей силой более 100 т/м². Норвежские морские стандарты теперь учитывают экстремально неблагоприятные волновые условия и требуют, чтобы волна, вероятность возникновения которой составляет один раз за 10 000 лет, не угрожала целостности судна. Например, DNV GL, один из крупнейших в мире международных органов по сертификации и классификационное общество, обладающее основными компетенциями в области технической оценки, консультирования и управления рисками, публикует свои принципы проектирования конструкций, которые в значительной степени основаны на значительной высоте волны. По состоянию на январь 2016 года в них по-прежнему не предусмотрены поправки, учитывающие неправильные волны. ВМС США исторически исходили из того, что самая большая волна, с которой можно столкнуться, – это… Смит отметил в 2007 году, что военно-морской флот теперь считает возможным возникновение более крупных волн, и признается вероятность существования экстремальных волн, которые более крутые (то есть имеют меньшую длину волны). ВМС США не пришлось вносить существенные изменения в конструкцию кораблей из-за новых данных о волнах высотой более 21,4 м, поскольку они строятся по более высоким стандартам.

Другие значения термина "rogue wave"

Волны-изгои могут возникать не только в воде, но и в других средах. Они, по-видимому, встречаются повсеместно и были зафиксированы в жидком гелии, в квантовой механике, в нелинейной оптике, в микроволновых резонаторах, в конденсате Бозе-Эйнштейна, в процессах теплопередачи и диффузии, а также в финансах.