Исследователь Сколтеха разработал теоретическую модель формирования волн в проливах и каналах с учетом нелинейности в присутствии береговой линии. Результаты исследования могут быть использованы для повышения точности прогнозов морских волнений, обеспечения безопасности морских путешествий и защиты объектов инфраструктуры на прибрежных территориях. Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в журнале Ocean Dynamics.
Прогнозирование состояния морской поверхности – традиционно сложная задача, от успешного решения которой зависит не только безопасность сооружений, но и жизнь людей. При проведении операции «Оверлорд» по высадке войск союзников в Нормандии в июне 1944 года из-за сильных волнений на море погибли более 4 тысяч человек. Тогда причиной трагедии, существенно повлиявшей на ход операции, стал неточный прогноз погоды. Модели, используемые сегодня NOAA (США) и другими службами для прогнозирования волновой обстановки, также далеки от совершенства, хотя и имеют целый ряд настраиваемых параметров, позволяющих получить достаточно точный прогноз.
По словам автора статьи, старшего научного сотрудника Сколтеха и Физического института им. П.Н. Лебедева РАН Андрея Пушкарева, ситуация осложняется также наличием береговых линий: «Спрогнозировать морские волнения в проливе Ла-Манш сегодня практически так же сложно, как и в 1944 году». Исследования, проведенные Андреем Пушкаревым, показывают, что в каналах и проливах волны ведут себя совсем не так, как в открытом море.
«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», – рассказывает Андрей Пушкарев.
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. Теоретическое моделирование процесса формирования волн в проливе, аналогичном проливу Ла-Манш, которое провел Андрей Пушкарев, выявило не только расхождения 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. Поскольку, по наблюдениям исследователей, это явление имеет определенные сходства с лазерным излучением, оно получило название «нелинейного усиления океанских волн» (Nonlinear Ocean Wave Amplifier – NOWA).
«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», – замечает 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», – добавляет он.
Андрей Пушкарев также отмечает, что такой «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 пролить свет на природу таких явлений, как сейши – стоячие волны, возникающие в частично замкнутых водоёмах и создающие серьезные проблемы для движения судов в портовых акваториях. Полученные результаты также показывают, что корректный учет турбулентности при наличии береговой линии позволит прогнозировать возникновение волн-убийц – спонтанно возникающих гигантских поверхностных волн, представляющих серьезную опасность даже для больших судов.
*****
Сколтех – негосударственный международный университет. Созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и здоровье, современные методы проектирования и перспективные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях.
