«Волна-убийца» вышла в свет

«Волна-убийца» вышла в свет

13 ДЕКАБРЯ, 15:34 // Алексей Петров


// geogr.msu.ru
Учёным удалось создать оптическую «волну-убийцу» – электромагнитный аналог редчайших океанских волн высотой в десятки метров, наводящих ужас на моряков. Это поможет в проверке теории происхождения таких волн и возможности предсказывать, где и когда они появятся.

Гигантские «волны-убийцы», заинтересовавшие, наконец, естествоиспытателей, искусственно синтезированы в лабораторных условиях. Никому до сих пор не известно, каким именно образом эти громадные волны формируются в океанских водах, однако группе ученых из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Института нелинейной оптики и короткоимпульсной спектроскопии имени Макса Борна в Берлине удалось создать их аналоги в световых колебаниях. Исследователи надеются, что их работа поможет разобраться в природе огромных волн, до сих пор являющихся причиной гибели многих судов.

Изначально научное сообщество не проявляло никакого интереса к «волнам-убийцам», или блуждающим волнам, как их иногда называют. Волны-одиночки высотой в десятки метров оставались лишь предметами моряцких рассказов и мифов. Однако в конце девяностых факт существования гигантских волн был запечатлен на пленку и не раз. Одна из таких волн обрушилась на нефтяную платформу в Северном море в 1995 году, другая была сфотографирована в Бискайском заливе в 1993 году. Позже появилась масса других свидетельств, а в прошлом году появились и первые математические теории образования «девятых валов».


Первое достоверное изображение "волны-убийцы", опубликованное в конце 1993 года в Mariner's Weather Log // wikipedia.org


И эти волны продолжают представлять угрозу для морских судов. Так, в 2001 году волна высотой 30 метров накрыла пассажирский лайнер в Южной Атлантике. По оценкам специалистов, за два последних десятилетия жертвами «волн-убийц» стали более 600 человек и около 200 морских судов.

Различные теории образования и распространения гласят, что максимальная высота волн, нагнанных ветром, в земных условиях не может превышать двух десятков метров, однако свидетельства очевидцев сообщают о волнах, высота которых превышала 30 метров. Даже допуская аномальную высоту волн, образующихся в ходе процессов, описанных в теории, эти выкладки предсказывают очень низкую вероятность их образования и уж тем более обнаружения на бескрайних просторах мирового океана.


На самом деле эти волны образуются гораздо чаще, чем ученые могли себе представить.

Несколько лет назад назад научное сообщество заставило-таки Европейский Союз начать межнациональный проект под названием MaxWave, в котором задействовали два европейских спутника, осуществляющих радарную съёмку океанов. Этот проект и был нацелен на поиск гигантских «волн-убийц», в существовании которых уже мало кто сомневался.

Всего за три недели наблюдений в 2004 году участники проекта засекли с десяток бродячих волн высотой не менее 25 метров.

Это, с одной стороны, указывает на отличие механизма образования таких волн от тех, что изучены и описаны, и одновременно ставит ученых в тупик – ни одна теория образования волн-убийц, представленная на сегодняшний день, не в состоянии полностью объяснить частоту и характер этих явлений и остаются недоказанными гипотезами.

Выдвинутые теории ссылаются на интерференцию и агрегирование более мелких морских волн в более крупные, кроме того, существуют предположения о вине необычных подвижек воздушных масс в формировании блуждающих волн.

Одно ученым известно наверняка – «волны-убийцы», распространяясь по водной глади, могут в течение долгого времени сохранять свою форму и размер. Именно поэтому острые пики таких волн при непосредственном наблюдении производят впечатление гигантской водяной стены.

Такое свойство волн-гигантов роднит их с хорошо изученными типами волн, названными солитонами, – одинокими волнами, способными преодолевать большие расстояния без разрушения и изменения своей формы и размера.



Солитоны были впервые обнаружены в XIX веке в одном из шотландских каналов и привлекли к себе немалый интерес. В настоящее время они хорошо изучены и могут быть без труда воспроизведены в лабораторных условиях как в водной среде, так и в виде световых колебаний.

Именно поэтому Дэниел Солли, руководитель работ, и предположил возможность использования технологий создания световых солитонов для генерации световых «волн-убийц».

Процесс создания световых солитонов требует испускания света в виде импульсов в нелинейном оптическом волноводе, форма и частота импульсов света, выходящих из которого, зависят от параметров входящих волн нетривиальным образом. Ученые добавили в исходный сигнал немного шума – случайных импульсов различной продолжительности и амплитуды, предназначенных для создания световых солитонов.

Выходной сигнал, полученный в результате наложения шума на исходный поток световых импульсов, оказался очень насыщенным, состоящим из большого числа световых волн различной длины.

Однако среди этой световой какофонии ученым удалось с легкостью различить чрезвычайно узкие и интенсивные пики, превышающие по этим параметрам даже входные сигналы.
В своей публикации в последнем номере Nature Солли и его коллеги называют эти импульсы не иначе как световые «волны-убийцы», хотя они и безопасны для человека в отличие от своих соленых морских собратьев.

В принципе, эти световые аномалии могут иметь и случайный характер, однако Солли отмечает, что их распределение во времени сильно отличается от статистического. Положение здесь также похоже на ситуацию с океанскими «волнами-убийцами» – стандартные теории образования волн в океане предсказывают их случайное появление, но в среднем лишь один раз в тысячелетие, а не по нескольку штук в неделю. Это несоответствие статистических характеристик, считает Солли, определенно указывает на созидательную роль шумовых сигналов, фокусирующих энергию отдельных импульсов в узкие и крайне интенсивные выбросы света.

По словам руководителя команды специалистов Бахрама Джалали, это первое наблюдение искусственных световых «волн-убийц», и эти волны очень близки по своим свойствам к своим морским аналогам.

Однако ученые не делают аналогичных заявлений относительно механизма формирования этих двух феноменов – они могут в корне различаться. Впрочем, ученые осторожно предполагают, что формирование морских «волн-убийц» также происходит из-за сочетания таких факторов, как небольшое волнение, нелинейность и слабый шумовой сигнал.

Нелинейность распространения морских волн – известный факт, а наличие небольшого шумового сигнала вполне может обеспечить переменчивый морской ветер.
Несмотря на то что «волны-убийцы» исследуются уже довольно давно и интенсивно, новые результаты группы американских и германских ученых могут не только внести вклад в понимание механизмов их образования, но и привести к формированию стройной теории формирования блуждающих волн.

И уж, по крайней мере, у учёных появилась отличная модель для проверки своих теорий образования волн-одиночек. Если учёные научатся прогнозировать появления безобидных оптических гигантских волн, то может быть, дело дойдёт и до океанских. В том, что это необходимо, сомневаться не приходится.



Солитон
– это уединенная волна в средах различной физической природы, сохраняющая неизменной свою форму и скорость при распространении. От англ. solitary – уединенная (solitary wave – уединенная волна), «-он» – типичный суффикс для терминов такого рода (например, электрон, фотон, и так далее), означающее подобие частицы.

Понятие солитон введено в 1965 американцами Норманом Забуски и Мартином Крускалом, но честь открытия солитона приписывают британскому инженеру Джону Скотту Расселу (1808–1882).

Способность солитона сохранять при распространении свою форму неизменной объясняется тем, что поведение его определяется двумя действующими взаимно противоположно процессами. Во-первых, это, так называемое, нелинейное укручение (фронт волны достаточно большой амплитуды стремится опрокинуться на участках нарастания амплитуды, поскольку задние частицы, имеющие большую амплитуду, движутся быстрее впереди бегущих). Во-вторых, проявляется такой процесс как дисперсия (зависимость скорости волны от ее частоты, определяемая физическими и геометрическими свойствами среды; при дисперсии разные участки волны движутся с разными скоростями и волна расплывается). Таким образом, нелинейное укручение волны компенсируется ее расплыванием за счет дисперсии, что и обеспечивает сохранение формы такой волны при ее распространении.

Отсутствие вторичных волн при распространении солитона свидетельствует о том, что энергия волны не рассеивается по пространству, а сосредоточена в ограниченном пространстве (локализована). Локализация энергии есть отличительное качество частицы.

Еще одной удивительной особенностью солитонов, отмеченной еще Расселом, является их способность сохранять свои скорость и форму при прохождении друг через друга. Единственным напоминанием о состоявшемся взаимодействии являются постоянные смещения наблюдаемых солитонов от положений, которые они занимали бы, если бы не встретились. Есть мнение, что солитоны не проходят друг через друга, а отражаются подобно столкнувшимся упругим шарам. В этом также проявляется аналогия солитонов с частицами.

«Кругосвет»



Квантовый девятый вал
В прошлом году математики вычислили условия, при которых возникают печально знаменитые «девятые валы» – сверхвысокие волны, способные поглотить любое судно. И утверждают, что после набора дополнительных данных смогут определять места наиболее частого возникновения таких волн.

Группа ученых из Швеции и Германии под руководством Падма Шукла представила первый анализ и моделирование нелинейных волн (порождающих так называемые «девятые валы»), возникающих глубоко под водой. Знаменитый «девятый вал» пугает корабелов издавна. С 1995 года ученым стало достоверно известно, что это не миф. В январе 1995 года удалось осуществить первое лазерное измерение гигантской штормовой волны.

Океанографы и математики говорили, что волны высотой в 30 и более метров (в англоязычной литературе для них введен термин freak wave и rogue wave) должны возникать один раз в 10 000 лет. Однако последующие спутниковые наблюдения показали, что это далеко не так. Оказалось, что «волны-убийцы» возникают гораздо чаще. Фактически наблюдения показали, что где-нибудь в мировом океане такие волны возникают в каждый момент.

Поскольку такая волна может разом поглотить круизное судно или нефтяную платформу (современные плавсредства рассчитаны на то, чтобы выдерживать только 15-метровые волны, а волны-гиганты могут достигать 60 метров в высоту), ученые и попробовали создать теорию возникновения таких волн.

«Основная причина для возникновения подобных волн, похоже, кроется в процессе, известном как нелинейные взаимодействия волн – это определенный механизм обмена энергией между волнами, приводящий к большому росту в амплитуде волны, намного большему, чем было бы возможным через обычную линейную суперпозицию волн», – сказал соавтор работы Маттиас Маркланд.

Ученые привлекли для описания и анализа волн-гигантов систему двух нелинейно взаимодействующих волн, описываемую уравнениями Шредингера, хорошо зарекомендовавшими себя в квантовой механике. Оказалось, что квантовые уравнения хорошо работают и здесь.

«Мы представили теоретическое исследование модуляционной нестабильности пары нелинейно взаимодействующих двумерных волн на глубокой воде и показали, что полная динамика этих взаимодействующих волн дает начало ограниченным пакетам волн большой амплитуды», – резюмируют ученые свою статью.

Фактически ученые при помощи уравнения Шредингера изучили влияние различных скоростей и углов, под которыми пересекаются в пространстве две волны. И установили, что при пересечении под относительно небольшим углом две волны образуют новую, более чем в два раза выше, чем при обычном взаимодействии, тем самым порождая «девятый вал».

Результаты своей работы теоретики представили в Physical Review Letters. И говорят, что теперь требуются дополнительные спутниковые и океанографические наблюдения и статистические подсчеты. И тогда они смогут установить места наиболее вероятного возникновения «ненормальных» волн.

// Алексей Паевский
http://www.gazeta.ru/science/2007/12/13_a_2423525.shtml