// Вие четете...

Ниво на океана

Блуждаещи вълни и безопасност на мореплаването.

„Когато няма очевидци, свидетелства онзи, който е чул.“

Един от сериозните проблеми, вълнуващи през последните години както океанолозите, така и всички специалисти, занимаващи се основно с океана, свързани с така наречените блуждаещи вълни, или вълни – убийци.

В Морския справочник е дадено следното определение за такъв род вълна: Кейпролер – необичайна планино подобна единична вълна, така наречената вълна – убиец, срещащи се на югоизточното крайбрежия на Африка между нос Добра надежда и Мозамбикския пролив. Характерна особеност на вълните – необичайно стръмен преден склон и полегата падина, височината достига 15-20 м при относително спокойно море. Особено опасни са такива вълни между Дурбан и Източен Лондон Южна Африка.

Сега, вече е установено, че това не е толкова рядко, освен това не е аномално и локално явление. Особено опасни са такива гигантски вълни за големите кораби, доколкото последните имат дължина, съизмерима с дължината на тези вълни, и дългия кораб намиращ се на гребена на вълната, се разчупва на половина под силата на собствената си тежест.

В англоезичната литература за обозначаване на необичайните ветрови вълни се използват много термини: wave-killer (вълна–убиец); freak (блуждаещи), rogue waves, abnormal (ненормални), giant (гигантски), asymmetric (несиметрични), rabid-dog waves (вълни бясно куче). Първото историческо название на вълните – кейпролер (cape – нос, roller – вълна вал) е свързано с местата на тяхното често появяване на югоизточното крайбрежие на Африка – зад нос Добра надежда. По нататък ние ще наричаме всички тези вълни блуждаещи, доколкото този термин най-добре отразява тяхната природа.

Нагледно представяне за това явление се дава от фотографията на (рис. 1).

Рис. 1. Фотография на блуждаеща вълна.

Стимул за интензивното изучаване на тези вълни се явява многобройните аварии на големи кораби и загубата на полу потопена сондажна платформа „Ocean Ranger” в района на Голямата Нюфаундлендската банка и гибелта на 84 човека.

Да разгледаме географските аспекти на проблема.

Видимо, първото обобщено сведение за аварийни случаи, предизвикани от среща на корабите с блуждаещи вълни с височина по-голяма от 15 м, е било направено от капитан Мелори през 1973 година за югоизточното крайбрежие на Африка. Местата на единадесет корабни аварии, случили се за периода от 1952 до 1973 г. са представени на рис. 2, там също са приведени местата на авариите на танкера рефрижератор „Таганрогски залив”.

Рис. 2. Местата на корабните аварии в резултат на среща с кейпролери за периода 1952-1973 г. (1) и мястото на аварията на танкера „Таганрогски залив” (април 1985 г.).

Да обърнем внимание на това, че практически всички аварии в югоизточното крайбрежия на Африка са станали близо до 200 м изобата – на най-бързата част от Агуласовото течение, достигащо скорост един и повече м/с.

По-късно Г. Лоутън е обобщил данните за срещата на супертанкери с вълните – убийци за периода 1969-1994 г. по акваторията на Атлантическия и Тихия океан. За 30 години в тези океани в резултат на среща с неочаквано големи вълни 22 супертанкера били загубени или съществено повредени, при това са загинали 525 човека. Местата на авариите са показани на рис. 3.

Рис. 3. Статистика за срещите на супертанкери с вълни – убийци за 1968-1994 г.

Сведенията за местата на въздействие с необичайно високите вълни на товарни и риболовни кораби, пасажерски кораби, а също така и за обектите от морската инфраструктура, е обобщил П. Келдсен. В таблица са приведени получените от тях данни за районите от океана, най-опасни по отношение на блуждаещи вълни.

Райони, където вълните – убийци се срещат най-често.

РайонРайон
1Голяма Нюфаундлендска Банка10Източно крайбрежие на САЩ
2Крайбрежна зона южно от Гренландия11Крайбрежна зона източно от Япония
3Крайбрежна зона на Испания12Райони, прилежащи до нос Хорн
4Крайбрежна зона на Фарерските острови13Югоизточно крайбрежие на Африка
5Крайбрежна зона на Норвегия14Бенгалски залив
6Северно море15Японско море
7Балтийско море16Мексикански залив
8Бискайски залив17Крайбрежието на Австралия
9Средиземно море18Великите езера

В литературата са описани няколко от последните случаи на среща на пасажерски лайнери „Queen Elizabeth II” (1995 г. в Северен Атлантик), „Bremen and the Caledonian Star” (2001 г. Южен Атлантик) с блуждаещи вълни.

Както се вижда, срещата с необичайно високи вълни се случва не само по крайбрежието на югоизточна Африка, това е широко разпространено явление. Трябва да се отбележи, че често блуждаещи вълни се появяват в динамично активни райони на океана, с добре изразени и силни течения, близо до брегове и до плитчини.

Дълго време основна причина за недоверието на океанолозите към разказите на оживели, след такива срещи с вълни – убийци, моряци било свързвано с това, че инструментални потвърждения на тези разкази не е имало или са били много малко. До този момент корабното наблюдение за високи вълни се изпълнява визуално, при което за височина на вълната се приема средната височина от 5-6 най-големи вълни наблюдавани в последните 5 мин., което преди всичко съответства на височината на вълните с 3% осигуреност. Именно такъв ред от наблюдения са били използвани за изучаване на законите на разпределение на височината на вълните и построяване на цифрови модели на ветровото вълнение.

За описание на разпределението на височината на вълните традиционно се използват разпределението на Релея. В нашия случай за удобство то може да се запише във вид на отношение на височината на максималната вълна Нmax от N вълни към значителна височина Нs: Hmax/Hs = [In(N)/2] ½ (1)

Значителна величина на вълните се нарича средната височина на три най-високи вълни в записа (от N вълни).

Приведеното съотношение последователно се е уточнило за различни условия на вълнообразуването.

От съотношение (1) следва, че от 65 милиона измерени вълни само една ще бъде с по значителна височина на вълната в размер на три пъти, което съответства на периода на повторение (при среден период на вълната 5 с) примерно един път на три месеца. Една от 7,8963.1013 вълни ще бъде с по-значително по-голяма височина на вълната в четири пъти, но такова събитие може да се случи един път на няколко стотен хиляди години. По съществуващи представи, в това число използвани при проектни разчети, отношението на височината на значителна вълна към височината на вълнението с 0,1% на нивото на осигуреност, която се приема за максимална височина на вълната, за развито вълнение то представлява 1:2, а за плитки води и при не развито вълнение 1:1,8. Изхождайки от това океанолозите към блуждаещите вълни са започнали да отнасят вълни, чиито височина два пъти превишава значителната височина на вълните. На основата на традиционните представи за вълновия режим се счита, че височината на максималните вълни (например, на юг от Африка) могат да достигнат 30 м, но такова събитие е възможно само един път на 10 години. Тези традиционни оценки противоречат на данните от последните инструментални наблюдения.

Така в научната литература са изложени резултати от обработка на данните от инструменталните наблюдения за вълните за период от 1998 до 2003 година с помощта на радар, който бил установен на стационарна платформа в южна Африка. Наблюденията са се провеждали автоматично, а радарът бил конструиран със способност да фиксира височина на вълните до 43 м.

В качеството на пример на рис. 4 е показан график за хода на значителни (долната крива) и максималните (горната крива) височини на вълните на 10-11 декември 2003 г.

Рис. 4. График на хода на значителни (долната крива) и максималните (горната крива) височини на вълните на 10-11 декември 2002 г.

От рисунката е видно, че към 22 часа на 10 декември 2002 г. на фона на вълнението с височина на значителни вълни около 4 м е била наблюдавана вълна с височина от около 20 м.

На рис. 5 е приведена получената в резултат на изследванията диаграма на връзката на значителните и максималните височини на вълните.

Рис. 5. Корелация между значителните и максималните височини на вълните.

Височина на вълната над 43 м е била отхвърлена. Както виждаме, преобладаващата част от наблюденията показва, че височината на максималните вълни Нmax не е по-голяма от два пъти от значителната височина на вълните Нs. В същото време са наблюдавани 1563 блуждаещи вълни с отношение на височините от 1:2 до 1:10. При това за шест години на наблюдение са наблюдавани 5 вълни с височина по-голяма от 30 м и единадесет вълни с височина по-голяма от 20 м. Това означава, че вероятността за съществуване на много високи вълни с височина по-голяма от 20 м, оценявана с използване на традиционното й представяне е занижена най-малко два пъти. Авторите на това изследване по отношение на височината на максималните вълни към височините на значителните вълни са отделили две групи блуждаещи вълни – с отношение в диапазона от 2:1 до 4:1 – като типични, а с отношение от 4:1 до 10:1 като нетипични.

Получените резултати се потвърждават от данните на наблюдение на други платформи, а през юли 2004 г. се е появила първата публикация за резултатите от изучаването на блуждаещи вълни с използването на космическите технологии.

Работата е била изпълнена от специалисти от европейското космическо агентство в рамките на проекта MaxWave, започнат от Европейското съобщество през декември 2000 г. За техния анализ в немския аерокосмически център били използвани около 30 хиляди снимки на не голям участък от повърхността на океана с разделителна способност от няколко десетки метра, изпълнени от радиолокатор с синхронизирана апаратура KA ERS за период с продължителност от три седмици. За този период на повърхността на Световния океан са били наблюдавани повече от десет единични гигантски вълни с височина от 25-30 м, което по мнението на нейния ръководител е превишило техните очакванията.

Към настоящия момент се предприемат значителни усилия за това щото да бъде обяснена природата на блуждаещите вълни, да се построи модел, пригоден за тяхното прогнозиране, и да се измени технологията за оценка на височината на вълните с рядка повторяемост за целите на проектиране на кораби и хидротехнически съоръжения.

Разбирането на механизма за образуване на аномално високи вълни и моделирането на тяхната динамика ще позволи да се отговори на въпросите, къде и кога се очакват такива вълни, как те изглеждат и еволюират.

Традиционно използваните за описание на ветровите вълни линейни модели за вълнението само частично в особени условия позволяват да се обясни появяването на необичайно високи вълни. По мнение на руските специалисти в рамките на линейната теория един от механизмите за раждане на аномално високи вълни могат да бъдат процесите на взаимодействие на вълните с насрещни нееднородни течения и тяхната рефракция на шелфа. В този случай се създават условия за изкривяване на вълновия фронт и по аналогия с акустиката или оптиката в този случай на лъчева картина на разпространение на вълните могат случайно да възникнат и да изчезнат областите на фокусировка на вълнова енергия (каустика).

Заедно с това болшинството учени считат, че основен механизъм за възникване на блуждаещи вълни се явяват процеси на нелинейни взаимодействия на вълните. На морските вълни е свойствена нелинейна динамика, ярки примери за което служат тяхното разрушаване. Степента на нелинейност на еднородни (монохроматични) вълни се определя от стръмнината (ъгъла на наклона) k. Нелинейността на първо място модифицира всички фокусиращи се механизми, доколкото скоростта на разпространение на вълните е функция на тяхната амплитуда, а също способства за ефективното взаимодействие на отделните вълни. Възниква принципиално нови – нелинейни – механизми за генерация на много високи вълни. Такъв род процеси се описват с уравнението на Шредингер – основното уравнение на квантовата физика. Съвременните резултати от числовото моделиране на такива вълни е потвърдило възможността за резонантно усилване на вълните до десет пъти. Определено е, че функцията на разпределение на вълнението става асиметрична (положителен трети модел), тъй като броя на големите гребени превишава броя на големите падини (ями), възниква зависимост на четвърти момент (ексцес, влияещ на частта на високите вълни) от степента на нелинейност.

С намаляването на дълбочината областта на неустойчивост се свива и физически отсъства в плитководен предел. Но и в този случай вълните не престават да бъдат нелинейни (и даже напротив, силата на нелинейните ефекти по отношение към дисперсията нараства). Аномални вълни били регистрирани както на умерени дълбочини, така и в условията на плитки води. Тук предложените сценарии за възникване на аномални вълни в резултат на динамиката на нелинейните уединени вълни (солитони – структурно устойчива вълна), които изглеждат като дълго живущи гребени на вълни, а също така тяхното взаимодействие с потоците. Тоест сега определения механизъм е потенциално способен да обясни възникването на аномално високите вълни, практически в кой да е район на океана.

Не обръщайки внимание на очевидния прогрес в изучаването на блуждаещите вълни, достигнат през последните години, и до сега не е ясно, какви именно механизми за тяхното образуване са най-разпространени в природата, а поради това няма и реални модели за реално прогнозиране на това явление.

От гледна точка на климатичното осигуряване на проектирането на кораби и хидротехнически съоръжения, съвършено е очевидно, че традиционните методи за разчет на височината на ветровото вълнение с рядка повторяемост са остарели и трябва да бъдат усъвършенствани.

Коментари

Все още няма коментари

Публикувай коментар