巨型疯狗浪并非凭空出现

我们终于找到了1995年那道高达80英尺巨浪背后的原因。
waves crash by a giant lighthouse
巨浪拍打着德国萨斯尼茨的灯塔。受2023年10月20日风暴影响,波罗的海沿岸的街道和沿海地区被高水位淹没。图片来源:Stefan Sauer/picture alliance via Getty Images

和美人鱼、海怪克拉肯海怪哈夫古法一样,疯狗浪曾被视为海事神话。这些巨浪并不总留下大量数据,让人感觉它们凭空从深海中涌现。

然而,有一道巨浪确实为科学家留下了数据。1995年1月1日,一道高达80英尺的巨浪猛烈撞击了北海的德劳普纳石油平台。这道所谓的德劳普纳浪给平台带来了一堵冰冷的水墙,将重型设备甩飞到甲板上,并扭曲了平台的钢制栏杆。

佐治亚理工学院专门研究波浪力学的工程师弗朗切斯科·费德勒(Francesco Fedele)在一份声明中说:“这证实了航海者几个世纪以来的描述。他们总是谈论这些突然出现且非常大的波浪——但很长一段时间以来,我们都认为这只是个神话。”

费德勒也是发表在《科学报告》杂志上的一项最新研究的合著者,该研究最终确定了这些传奇海洋异常现象的起源。疯狗浪并非物理定律的魔法例外,而是这些定律的结果

A size comparison of the "Draupner Wave" to 3 school buses stacked horizontally on top of one another. CREDIT: Georgia Tech.
“德劳普纳浪”与三辆水平堆叠的校车的大小对比。图片来源:佐治亚理工学院。

深入研究调制不稳定性

形成疯狗浪的主流理论是一种称为调制不稳定性的现象。这是一个过程,波浪之间时间和间隔的微小变化会将能量集中到一道波浪中。波浪模式不再保持均匀分布,而是发生转移,使得一道波浪比其他波浪显著增大。

根据费德勒的说法,调制不稳定性“在波浪被限制在通道内时(例如在实验室实验中,能量只能单向流动)才基本准确。然而,在开阔的海洋中,能量可以向多个方向扩散。”

力的协同

在这项新研究中,费德勒和团队分析了在北海收集的、长达18年的27,500条波浪记录的综合数据集。每条记录都捕捉了30分钟的详细波浪活动,测量了波浪的高度、频率和方向。

数据显示的内容挑战了关于疯狗浪的一些长期以来的假设。要发生巨浪,并不需要不寻常的力量。所有需要的只是造成波浪的熟悉力量的正确排列

费德勒说:“疯狗浪遵循海洋的自然规律——而不是例外。这是迄今为止最确凿、最真实的证据。”

北海的数据没有发现疯狗浪中存在调制不稳定的证据。取而代之的是,研究小组发现,最大的波浪很可能是由两个更简单的效应造成的。

第一个效应称为线性聚焦。这发生在不同速度和方向传播的波浪恰好在同一时间和地点对齐时。然后,这些波浪堆叠在一起,形成比平时高得多的浪峰(波浪的顶部)

第二个效应是束缚非线性。这发生在波浪的自然效应拉伸波浪形状时。这使得浪峰更陡峭、更高,同时使波谷,即波浪的最低点变平。这种变形可以使巨浪的幅度增加约15%到20%。

当这两种标准的波浪行为结合在一起时,就会产生一个更大的波浪。海洋波浪的非线性性质赋予了它额外的推动力,帮助其进一步扩张。

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爱尔兰莫赫悬崖附近一个巨大的浪卷起了一个桶状浪。图片来源:Cavan Images via Getty Images PACOTWO

“它们是海洋语言的一部分”

由于疯狗浪并非神话或理论性的,它们对船舶和海上结构构成了真实危险。即便如此,根据费德勒的说法,许多预测模型仍将疯狗浪视为不可预测的偶然事件。更新这些模型对于提高安全性至关重要。

他说:“它们是极端的,但它们是可以解释的。这对船舶航行、沿海结构和石油平台的安全至关重要。它们必须能够承受这些极端事件。”

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该团队还正在利用人工智能梳理数十年的波浪数据,训练算法以检测导致极端波浪的微妙的高度、方向和时间组合。他们的目标是为预报员提供更好、更准确的工具,以预测何时可能发生疯狗浪。

虽然海洋翻滚的波浪可能看起来是随机的,但像疯狗浪这样的极端波浪实际上遵循着一种自然可识别的模式,可以帮助这些预测。每个疯狗浪都有一种“指纹”,表现为峰值前后有结构的波浪群,显示了它是如何形成的。

费德勒说:“疯狗浪,简单来说,就是海上糟糕的一天。它们是极端事件,但它们是海洋语言的一部分。我们终于开始学会倾听了。”

 

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Laura Baisas

新闻编辑

Laura 是 Popular Science 的新闻编辑,负责报道各种主题。Laura 对所有水下事物、古生物学、纳米技术特别着迷,并探索科学如何影响日常生活。


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