Российский ученый создал теоретическую модель, прогнозирующую появление волн в проливах и каналах с учетом нелинейности в присутствии береговой линии. Она может помочь повысить точность прогнозов морских волнений, в том числе и волн-убийц. Исследование опубликовано в журнале Ocean Dynamics.
Сложная, но очень важная задача — прогнозирование состояния морской поверхности. От ее решения зависят жизни людей и безопасность сооружений. Например, в 1944 году из-за волнений на море и неточного прогноза погоды при высадке союзников в Нормандии погибло более 4 тысяч человек. И хотя с тех пор наука сделала много важных шагов, современные модели для прогнозирования волновой обстановки далеки от совершенства. Особенно трудно прогнозировать поведение волн в каналах и проливах, так как там волны ведут себя иначе, чем в открытом море, как показал российский исследователь.
«Береговые линии создают неоднородность, которая выражается в наличии перепада между нулевым значением распределения энергии волн на границе береговой линии и ненулевым значением на некотором удалении от берега. Наличие этого перепада приводит к возникновению адвекции волн, что в совокупности с нелинейным взаимодействием между волнами создает весьма необычный эффект: формирование волн в направлении, перпендикулярном направлению ветра», — рассказал Андрей Пушкарев, старший научный сотрудник Сколтеха и Физического института имени П.Н. Лебедева РАН, автор исследования.
Наличие особых условий в каналах позволяет получить точное решение уравнения Хассельмана, которое описывает поведение волн и обычно аппроксимируется при помощи существующих моделей, поскольку решить его без аппроксимации с помощью современных компьютеров пока не удается. Ученый провел теоретическое моделирование формирования волн в проливе, аналогичном Ла-Маншу. Оно обнаружило не только разницу с результатами расчета турбулентности при помощи традиционных моделей, но и существенные отличия в структуре турбулентности, связанные с наличием волновой адвекции и нелинейностью взаимодействия между волнами. Это явление получило название «нелинейного усиления океанских волн» (Nonlinear Ocean Wave Amplifier, NOWA), так как имеет сходство с лазерным излучением.
«Для формирующихся волн берега пролива играют роль полуотражающих зеркал; в этом заключается определенное сходство этого явления с обычным лазером, поскольку нелинейные волновые системы здесь выступают в качестве активного резонатора. Мощность излучения, направленного перпендикулярно ветру, существенно возрастает с ростом коэффициента отражения от берегов пролива. В каком-то смысле мы имеем дело со своего рода нелинейным лазером», — рассказал Андрей Пушкарев.
«Разработанная модель, основанная на использовании уравнения Хассельмана в его исходной форме, показывает, что существующие модели предсказания волновой обстановки не учитывают описанный выше эффект, рассматривая его скорее как числовой артефакт», — добавил исследователь. Он также отметил, что подобный «эффект лазера» при формировании волн перпендикулярно направлению ветра можно наблюдать не только в проливах, но и в открытом море, где присутствуют неоднородные ветра, а пространственные точки поворота ветра создают условия, аналогичные тем, которые наблюдаются при наличии берегов.
Результаты исследования могут помочь лучше понять природу сейшей — стоячих волн, возникающих в частично замкнутых водоемах и создающих проблемы для движения судов в портовых акваториях. Результаты также демонстрируют, что корректный учет турбулентности при наличии береговой линии позволит прогнозировать возникновение волн-убийц — спонтанно возникающих гигантских поверхностных волн, которые представляют серьезную опасность даже для крупных кораблей.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
