ВО́ЛНЫ-УБИ́ЙЦЫ

ВО́ЛНЫ-УБИ́ЙЦЫ, принятое в русскоязычной литературе название аномально высоких волн в море. В английском языке наиболее часто используются термины «freak waves» («фрики») или «rogue waves». К наиболее характерным свойствам волн-убийц обычно относят неожиданность их возникновения и быстротечность. В отличие от цунами, волны-убийцы относятся к ветровым волнам, их характерные длины составляют не более нескольких сотен метров. Такие волны опасны для судов и стационарных сооружений в море (таких как нефтегазодобывающие платформы); они способны смывать людей и имущество на берегу, повреждать волнозащитные сооружения.

Рис. 1. Двадцати-минутная инструментальная запись «Новогодней волны», сделанная на нефтяной платформе «Draupner» во время шторма в Северном море 1 января 1995. Высота максимальной волны 25,6 м.

Проблема волн-убийц получила наибольшее развитие в конце 20 – начале 21 веков благодаря появлению надёжных инструментальных регистраций морского волнения. Широко известный пример т. н. Новогодней волны высотой более 25 м, зарегистрированной с платформы в Северном море, приведён на рис. 1.

Рис. 2. Фотография «стены воды».

Существуют фотографии и многочисленные устные свидетельства неожиданно высоких волн на морской поверхности. Условно можно выделить характерные описания «стен воды» – волн с очень длинным фронтом гребня (рис. 2), «дырок в море» – очень глубоких провалов на морской поверхности, «трёх сестёр» («девятый вал») – групп неожиданно больших волн. Хотя наиболее часто, по-видимому, волны-убийцы в открытом море представлены одиночными интенсивными волнами с преобладающим гребнем.

По результатам долговременных измерений морского волнения был сделан вывод об аномально частом возникновении высоких волн, что влечёт за собой необходимость переоценки рисков, связанных с воздействием волн, и изменения норм строительства и использования морских сооружений. В качестве критерия, выделяющего популяцию волн-убийц в морском волнении, обычно используют отношение высоты волны $H$ (вертикального расстояния между последовательными гребнем и ложбиной) к характерной высоте $H_s$ (определённой через т. н. значительную высоту волн или величину среднеквадратического смещения поверхности). Под аномально частым возникновением волн-убийц обычно понимают отклонение функции распределения вероятности высот в области $H \gt 2H_s$ от Рэлея распределения, справедливого для основной массы морских волн. Согласно распределению Рэлея, волна-убийца среди типичных для океана волн с периодом 10 с возникает примерно каждые 8 часов.

Для объяснения возникновения аномально высоких волн на поверхности воды был предложен ряд механизмов фокусировки энергии ветровых волн. Среди них можно выделить: механизмы пространственной фокусировки волн, приходящих с разных направлений; механизмы дисперсионной фокусировки, связанной с разной скоростью распространения волн разной длины; механизмы трансформации волн на переменных течениях, в зоне меняющихся глубин, в присутствии атмосферных фронтов; механизмы неустойчивости волн большой амплитуды, приводящие к образованию групп очень высоких волн. Для получения данных о волнах-убийцах используют многолетние инструментальные записи морского волнения, численное и лабораторное моделирование ансамблей нерегулярных волн (т. н. стохастическое моделирование).

Ныне понятие волн-убийц стало использоваться и в других областях физики (волны в оптике, плазме, стратифицированной жидкости, твёрдых телах и др.), а также в других приложениях (например, события на финансовых рынках), что обусловлено родственностью используемых математических моделей. Особенно интенсивное развитие получили исследования волн-убийц в нелинейной оптике, где требуется решать проблему надёжной работы линий оптоволоконной связи, исключающей пробой в результате спонтанного образования интенсивного светового поля.