1

در ۱ ژانویه ۱۹۹۵، دیواری از آب به ارتفاع تقریبی ۲۵٫۶ متر به سکوی دراپنر در دریای شمال برخورد کرد و اولین ثبت قابل اعتماد از یک موج سرکش در اقیانوس‌های باز را به جای گذاشت. این رویداد تک، آغازگر یک تحقیق علمی برای درک این شد که چنین غول‌های نادری چگونه بدون نقض قوانین فیزیک ظاهر می‌شوند.

فرانچسکو فدله، دانشیار در دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه جورجیا تک، رهبری تحلیل جدیدی را بر عهده داشت که به صورت مستقیم به این پرسش می‌پردازد.

تعریف موج سرکش

دانشمندان معمولاً موج سرکش را به عنوان موجی تعریف می‌کنند که ارتفاع آن بیش از دو برابر ارتفاع موج قابل توجه است، یعنی میانگین یک‌سوم بالای موج‌های اطراف. آنها تأکید می‌کنند که چنین موج‌هایی می‌توانند از جهت‌های غیرمعمول برسند و ملوانان را غافلگیر کنند.

ردیابی موج‌های شدید در دریا

داده‌های گسترده موج

تیم تحقیقاتی، ۲۷,۵۰۰ رکورد موج نیم‌ساعته از سال ۲۰۰۳ تا ۲۰۲۰ در سکوی اکوفیسک در مرکز دریای شمال جمع‌آوری کرد. سپس بررسی کردند که چقدر اغلب قله‌های شدید در شرایط دریایی مختلف ظاهر می‌شوند.

یافته‌ها

کارشناسان دریافتند که آمار بزرگ‌ترین قله‌ها با فرآیندهای عادی همخوانی دارد، وقتی که جهت، پراکندگی فرکانس و شیب موج‌ها با شدت طوفان در نظر گرفته شود.

برای سال‌ها، بسیاری از پژوهشگران ناپایداری مدولاسیون، تأثیری که می‌تواند یک موج را به هزینه موج‌های همسایه‌اش تقویت کند، به عنوان توضیح اصلی موج‌های سرکش می‌دانستند.

با این حال، در اقیانوس‌های باز، موج‌ها انرژی را در چندین جهت توزیع می‌کنند. تحلیل رکوردهای دریای شمال نشان می‌دهد که تعاملات رزونانس درجه سوم نقش قابل توجهی در شکل‌گیری موج‌های بزرگ ندارد.

نقش زاویه‌ها در شکل‌گیری موج‌های سرکش

پراکندگی جهت، نقش مرکزی در توزیع انرژی موج در اقیانوس‌های باز دارد.

وقتی موج‌ها در چندین جهت حرکت می‌کنند، احتمال انتقال مداوم انرژی از یک موج به موج دیگر کاهش می‌یابد. این امر پتانسیل رشد نامتناسب یک موج را محدود می‌کند.

در مقابل، وقتی موج‌ها محدود یا به طور نزدیک هم‌راستا هستند، انرژی متمرکز آنها در مسیر باریک، امکان فعال شدن ناپایداری مدولاسیون را افزایش می‌دهد.

مشاهدات دریای شمال

در دریای شمال، اندازه‌گیری‌ها به طور مداوم نشان می‌دهند که طیف وسیعی از زوایای موج ورودی وجود دارد، حتی در طوفان‌های شدید. این محیط چندجهتی، انرژی موج را پراکنده کرده و شرایط لازم برای تسلط ناپایداری مدولاسیون را مختل می‌کند.

در نتیجه، مکانیسم‌های دیگری مانند تمرکز خطی و غیرخطی‌های درجه دوم به عنوان محرک‌های اصلی بزرگ‌ترین موج‌های مشاهده‌شده در این آب‌ها ظاهر می‌شوند.

دو نیروی پشت غول‌های اقیانوسی

دو اثر رایج و شناخته‌شده این غول‌ها را توضیح می‌دهند:

تمرکز خطی

در این حالت، موج‌ها در زمان و فضا هم‌راستا می‌شوند و با ترکیب، موج‌های بزرگ‌تر ایجاد می‌کنند.

غیرخطی‌های درجه دوم

این اثر قله‌ها را تیز و فرورفتگی‌ها را مسطح می‌کند. پژوهشگران تخمین می‌زنند که این مکانیسم می‌تواند موج‌های بلند را حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد نسبت به پیش‌بینی‌های خطی تقویت کند.

موج سرکش آندریا که در نزدیکی اکوفیسک در سال ۲۰۰۷ ثبت شد، به عنوان مرجع برای آزمایش آمار موج‌های شدید و احتمال مواجهه با آنها در دریاهای واقعی استفاده شده است.

ثبت داده‌ها و پیشرفت علم موج‌های سرکش

داده‌های دریای شمال به اندازه کافی بزرگ بودند تا بتوان موج‌های جوان و تحت تأثیر باد را از دریاهای قدیمی و بالغ جدا کرد.

تحلیل موج‌های جوان

موج‌های جوان با بادهای شدید، چولگی بالاتر و کشیدگی محدود غیرپویا (bound) نشان دادند. این دقیقاً همان چیزی است که انتظار می‌رود اگر غیرخطی‌های محدود، نه ناپایداری مدولاسیون، تحت شرایط واقعی طوفان غالب باشند.

شناسایی موج‌های سرکش

اگر موج‌های سرکش ناشی از ترازهای نادر و اثرات محدود باشند، تشخیص آنها به یک مسئله شناسایی الگو تبدیل می‌شود، نه جستجوی فیزیکی.

یک مطالعه در ۲۰۲۴ شبکه عصبی را روی رکوردهای بویه آموزش داد و تقریباً ۷۵ درصد از رویدادهای سرکش را یک دقیقه قبل به درستی دسته‌بندی کرد. دقت برای پنج دقیقه قبل حدود ۷۰ درصد بود. این یافته‌ها نشان می‌دهند که هشدارهای کوتاه‌مدت قابل دستیابی هستند وقتی ابزارها در محل باشند.

طراحی، عملیات و ایمنی

دفاتر پیش‌بینی در حال حاضر چندین بار در روز مدل‌های موج و جریان را تحلیل می‌کنند تا موج‌های بادی و موج‌های بلند را پیش‌بینی کنند. پژوهشگران با بهبود داده‌ها و روش‌ها، این ابزارها را به سمت پیش‌بینی موج‌های شدید گسترش می‌دهند.

پیام اصلی برای کشتی‌ها و سازه‌های دریایی ساده اما مهم است: برای امواج شدید که توسط فیزیک روزمره ایجاد می‌شوند آماده باشید.

علاوه بر این، حسگرها و الگوریتم‌ها باید در مکان‌هایی نصب شوند که بتوانند شرایط هشداردهنده قبل از رسیدن موج به اوج را شناسایی کنند.

اسطوره‌ها درباره موج‌های سرکش

با وجود باور عمومی که موج‌های سرکش نادر هستند، ثبت‌های مدرن و آمار دقیق نشان می‌دهند که این باور صحت ندارد.

راهنمایی‌های رسمی همچنان به ملوانان یادآوری می‌کنند که یک قله شدید می‌تواند از جهتی غیرمنتظره برسد. رویدادهایی که ارتفاع آنها بیش از دو برابر ارتفاع موج قابل توجه محلی باشد، در دسته موج‌های سرکش قرار می‌گیرند، که با تحلیل‌های دریای شمال همخوانی دارد.

داده‌های بزرگ‌تر و دقیق‌تر کمک خواهند کرد تا تأثیر پراکندگی جهت، برش جریان و عمق در احتمال هم‌ترازی سازنده بدون استفاده از مکانیسم‌های ویژه، بهتر کمی‌سازی شود.

ترکیب رادار، شبکه‌های بویه و مشاهدات کشتی می‌تواند هشدارهای کوتاه‌مدت را دقیق‌تر کند و معیارهای طراحی برای سکوی‌ها و مسیرهای طولانی را بهبود بخشد.

مطالعه منتشر شده در مجله Scientific Reports ارائه شده است.