Rogue wave - Rogue wave

Denne artikkelen handler om naturfenomenet. For annen bruk, se Rogue wave (disambiguation) .
Et handelsskip som arbeider i tung sjø som en stor bølge truer fremover, Biscayabukten , ca. 1940

Rogue -bølger (også kjent som freak -bølger , monsterbølger , episodiske bølger , drepende bølger , ekstreme bølger og unormale bølger ) er uvanlig store, uforutsigbare og plutselig dukkende overflatebølger som kan være ekstremt farlige for skip , selv for store. De skiller seg fra tsunamier , som er forårsaket av forskyvning av vann på grunn av andre fenomener (for eksempel jordskjelv ) og er ofte nesten umerkelig på dypt vann. En useriøs bølge som dukker opp ved kysten blir noen ganger referert til som en joggesko .

I havforskning , blir monsterbølge mer presist definert som bølger, hvis høyde er mer enn to ganger den signifikante bølgehøyden ( H s eller SWH), som i seg selv er definert som middelverdien av de største tredjedel av bølger i en bølge posten. Derfor er useriøse bølger ikke nødvendigvis de største bølgene som finnes på vannet; de er heller uvanlig store bølger for en gitt havtilstand . Rogue -bølger ser ikke ut til å ha en enkelt tydelig årsak, men forekommer der fysiske faktorer som høy vind og sterke strømmer får bølger til å smelte sammen for å skape en enkelt eksepsjonelt stor bølge.

Rogue -bølger kan forekomme i andre medier enn vann. De ser ut til å være allestedsnærværende i naturen og har også blitt rapportert i flytende helium , i kvantemekanikk, i ikke -lineær optikk og i mikrobølgehulrom, i Bose - Einstein -kondens, i varme og diffusjon og i finans. Nyere forskning har fokusert på optiske useriøse bølger som letter studiet av fenomenet i laboratoriet .

En studie fra 2012 bekreftet eksistensen av oseaniske useriøse hull , det inverse av useriøse bølger, der dybden på hullet kan nå mer enn det dobbelte av den signifikante bølgehøyden.

Bakgrunn

Selv om den vanligvis beskrives som en tsunami , er titulærbølgen i The Great Wave off Kanagawa av Hokusai mer sannsynlig et eksempel på en stor useriøs bølge.

Rogue-bølger er et fenomen med åpent vann, der vind , strømmer , ikke-lineære fenomener som solitons og andre omstendigheter får en bølge til kort å danne en langt større enn den "gjennomsnittlige" store forekommende bølgen (den signifikante bølgehøyden eller " SWH ") for den tiden og stedet. Den grunnleggende underliggende fysikken som gjør fenomener som useriøse bølger mulig er at forskjellige bølger kan bevege seg i forskjellige hastigheter, og slik at de kan "hoper seg opp" under visse omstendigheter, kjent som " konstruktiv interferens ". (I dyphavet er hastigheten til en tyngdekraftsbølge proporsjonal med kvadratroten av bølgelengden, dvs. avstanden topp til topp mellom tilstøtende bølger.) Imidlertid kan andre situasjoner også gi opphav til useriøse bølger, spesielt situasjoner der ikke -linjære effekter eller ustabilitetseffekter kan føre til at energi beveger seg mellom bølger og konsentreres i en eller svært få ekstremt store bølger før den går tilbake til "normale" forhold.

En gang betraktet som mytisk og mangler harde bevis for deres eksistens, er rogue bølger nå bevist å eksistere og kjent for å være et naturlig havfenomen. Øyenvitneskildringer fra sjøfolk og skader påført skip har lenge antydet at de skulle oppstå. Det første vitenskapelige beviset på deres eksistens kom med registrering av en useriøs bølge ved Gorm-plattformen i det sentrale Nordsjøen i 1984. En skiller seg ut med en bølgehøyde på 11 meter (36 fot) i et relativt lavt hav. stat. Det som imidlertid fanget oppmerksomheten til det vitenskapelige samfunnet var den digitale målingen av en useriøs bølge på Draupner -plattformen i Nordsjøen 1. januar 1995; kalt "Draupner -bølgen", den hadde en registrert maksimal bølgehøyde på 25,6 meter (84 fot) og topphøyde på 18,5 meter (61 fot). Under denne hendelsen ble det påført mindre skade på plattformen langt over havet, noe som bekreftet gyldigheten av avlesningen gjort av en nedoverpekende lasersensor.

Deres eksistens har også siden blitt bekreftet av video og fotografier, satellittbilder , radar på havoverflaten, stereobølgebilder, trykktransdusere på havbunnen og oseanografiske forskningsfartøyer. I februar 2000 møtte et britisk oseanografisk forskningsfartøy, RRS Discovery , som seilte i Rockall Trough vest for Skottland, de største bølgene som noen gang er registrert av noen vitenskapelige instrumenter i det åpne havet, med en SWH på 18,5 meter (61 fot) og individuelle bølger opp til 29,1 meter (95 fot). "I 2004 fant forskere som brukte tre uker med radarbilder fra European Space Agency -satellitter ti useriøse bølger, hver 25 meter (82 fot) eller høyere."

En useriøs bølge er et naturlig havfenomen som ikke er forårsaket av landbevegelse, bare varer kort, forekommer på et begrenset sted, og skjer oftest langt ute på sjøen. Rogue-bølger anses som sjeldne, men potensielt svært farlige, siden de kan innebære spontan dannelse av massive bølger langt utover de vanlige forventningene til skipsdesignere , og kan overvelde de vanlige egenskapene til havgående fartøyer som ikke er designet for slike møter. Rogue -bølger er derfor forskjellige fra tsunamier . Tsunamier skyldes en massiv forskyvning av vann, ofte som følge av plutselige bevegelser av havbunnen , hvoretter de forplanter seg med høy hastighet over et bredt område. De er nesten umerkelige på dypt vann og blir bare farlige når de nærmer seg strandlinjen og havbunnen blir grunnere; derfor utgjør tsunamier ikke en trussel mot sjøfart. (De eneste skipene som gikk tapt i tsunamien i 2004 var i havn.) De er også forskjellige fra megatsunamier , som er enkle massive bølger forårsaket av plutselig påvirkning, for eksempel meteorpåvirkning eller skred i lukkede eller begrensede vannmasser. De er også forskjellige fra bølgene beskrevet som " hundreårsbølger ", som er en rent statistisk forutsigelse av den høyeste bølgen som sannsynligvis vil forekomme i en hundreårsperiode i en bestemt vannmasse.

Rogue-bølger har nå vist seg å være årsaken til det plutselige tapet av noen havgående fartøyer. Godt dokumenterte tilfeller inkluderer fraktskipet MS München , tapt i 1978. En useriøs bølge har vært implisert i tapet av andre fartøyer, inkludert Ocean Ranger , som var en halvt nedsenkbar mobil offshore boreenhet som sank i kanadiske farvann 15. februar 1982 . I 2007 utarbeidet USAs National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) en katalog med mer enn 50 historiske hendelser som sannsynligvis er forbundet med useriøse bølger.

Historien om rogue wave -kunnskap

Tidlige rapporter

I 1826 rapporterte den franske vitenskapsmannen og sjøoffiseren kaptein Jules Dumont d'Urville om bølger så høye som 33 m i Det indiske hav med tre kolleger som vitner, men han ble offentlig latterliggjort av stipendiat François Arago . I den epoken ble det allment ansett at ingen bølge kunne overstige 9 fot. Forfatter Susan Casey skrev at mye av den vantro kom fordi det var veldig få mennesker som hadde sett en useriøs bølge, og overlevde; fram til ankomsten av stålskrog med dobbeltskrog på 1900-tallet "kom folk som møtte 100 fot fulle bølger vanligvis ikke tilbake for å fortelle folk om det."

Forskning før 1995

Uvanlig bølger har blitt studert vitenskapelig i mange år (for eksempel John Scott Russell 's bølge av oversettelse , en 1834 studie av et soliton bølge), men disse ble ikke knyttet konseptuelt til seilernes historier om møter med gigantiske rogue bølger, som sistnevnte ble antatt å være vitenskapelig usannsynlig.

Siden 1800 -tallet har oseanografer, meteorologer, ingeniører og skipsdesignere brukt en statistisk modell kjent som Gauss -funksjonen (eller Gausshavet eller standard lineær modell) for å forutsi bølgehøyde, forutsatt at bølgehøyder i et gitt hav er tett gruppert rundt en sentral verdi lik gjennomsnittet av den største tredjedelen, kjent som den betydelige bølgehøyden . I et stormhav med en betydelig bølgehøyde på 12 meter (39 fot) antyder modellen at det neppe noen gang vil være en bølge høyere enn 15 meter (49 fot). Det antyder at en av 30 meter (98 fot) faktisk kan skje - men bare en gang i ti tusen år (med bølgehøyde på 12 meter (39 fot)). Denne grunnleggende antagelsen ble godt akseptert, selv om den ble anerkjent som en tilnærming. Bruken av en gaussisk form for å modellere bølger hadde vært det eneste grunnlaget for praktisk talt hver tekst om dette emnet de siste 100 årene.

Den første kjente vitenskapelige artikkelen om "Freak waves" ble skrevet av professor Laurence Draper i 1964. I det papiret dokumenterte han innsatsen til National Institute of Oceanography på begynnelsen av 1960 -tallet for å registrere bølgehøyde, og den høyeste bølgen som ble registrert på den tiden , som var omtrent 20 m. Draper beskrev også freak wave hull .

Selv så sent som på midten av 1990 -tallet inneholdt imidlertid de mest populære tekstene om oseanografi som den av Pirie ingen omtale av useriøse eller freak -bølger. Selv etter Draupner -bølgen i 1995 ga den populære teksten om Oceanografi av Gross (1996) bare useriøse bølger en omtale og uttalte ganske enkelt at "Under ekstraordinære omstendigheter kan det dannes uvanlig store bølger som kalles useriøse bølger" uten å gi ytterligere detaljer.

Draupner -bølgen fra 1995

Målt amplitudegraf som viser Draupner -bølgen (pigg i midten)

Den Draupnerinnretningen bølgen (eller nyttår bølge) var den første kjempebølge for å bli detektert av et måleinstrument . Bølgen ble registrert i 1995 ved enhet E på Draupner -plattformen , et gassrørledningskompleks som ligger i Nordsjøen omtrent 160 kilometer sørvest fra sørspissen av Norge.

Riggen ble bygget for å tåle en beregnet 1-i-10.000 år bølge med en forutsagt høyde på 20 m (64 fot) og er utstyrt med en state-of-the-art sett av sensorer, inkludert en laseravstandsmåler bølge opptageren plattformens underside. Kl. 15.00 1. januar 1995 registrerte enheten en useriøs bølge med en maksimal bølgehøyde på 25,6 meter (84 fot). Topphøyde over stille vannstand var 18,5 meter (61 fot). Avlesningen ble bekreftet av de andre sensorene. Plattformen pådro seg mindre skader i hendelsen.

I området var den signifikante bølgehøyden omtrent 12 meter, så Draupner -bølgen var mer enn dobbelt så høy og bratt som naboene, med egenskaper som falt utenfor enhver kjent bølgemodell. Bølgen forårsaket enorm interesse for det vitenskapelige samfunnet.

Etterfølgende forskning

Etter bevis på Draupner -bølgen ble forskning i området utbredt.

Den første vitenskapelige studien som på en omfattende måte beviste at det eksisterer freak -bølger, som er klart utenfor området for gaussiske bølger, ble publisert i 1997. Noen undersøkelser bekrefter at observert bølgehøydefordeling generelt følger godt Rayleigh -fordelingen , men i grunt vann under høy energi. hendelser, ekstremt høye bølger er mer sjeldne enn denne modellen forutsier. Fra omtrent 1997 anerkjente de fleste ledende forfatterne eksistensen av useriøse bølger med forbeholdet om at bølgemodeller ikke hadde vært i stand til å replikere useriøse bølger.

Statoil-forskere presenterte et papir i 2000, og samlet bevis på at freak-bølger ikke var de sjeldne erkjennelsene av en typisk eller litt ikke-gaussisk havoverflatepopulasjon ( klassiske ekstreme bølger), men de var snarere de typiske erkjennelsene til en sjelden og sterkt ikke-gaussisk havoverflaten befolkningen i bølger ( freak ekstreme bølger). En workshop med ledende forskere i verden deltok på det første Rogue Waves 2000 -verkstedet som ble holdt i Brest i november 2000.

I 2000 registrerte det britiske oseanografiske fartøyet RRS Discovery en bølge på 29 meter (95 fot) utenfor Skottlands kyst nær Rockall . Dette var et vitenskapelig forskningsfartøy og var utstyrt med instrumenter av høy kvalitet. Den påfølgende analysen bestemte at under alvorlige kulingforhold med vindhastigheter på i gjennomsnitt 21 meter i sekundet (41 kn) målte en båren bølgeopptaker individuelle bølger opptil 29,1 meter (95,5 fot) fra topp til bunn, og en maksimal signifikant bølgehøyde på 18,5 meter. Dette var noen av de største bølgene registrert av vitenskapelige instrumenter fram til den tiden. Forfatterne merket seg at moderne bølge prediksjon modeller er kjent for å betydelig under-forutsi ekstreme sjøforhold for bølger med en betydelig høyde (H r ) på over 12 meter (39,4 fot). Analysen av denne hendelsen tok flere år, og bemerket at "ingen av de toppmoderne værmeldingene og bølgemodellene-informasjonen som alle skip, oljerigger, fiskeri og passasjerbåter stoler på-hadde spådd disse fjollene. " Enkelt sagt, en vitenskapelig modell (og også skipsdesignmetode) for å beskrive bølgene som fantes, eksisterte ikke. Dette funnet ble mye rapportert i pressen, som rapporterte at "ifølge alle de teoretiske modellene den gang under dette spesielle settet med værforhold burde bølger av denne størrelsen ikke ha eksistert".

I 2004 identifiserte ESA MaxWave -prosjektet mer enn ti individuelle gigantiske bølger over 25 meter høye i løpet av en kort undersøkelsesperiode på tre uker i et begrenset område av Sør -Atlanteren. ESAs ERS -satellitter har bidratt til å etablere den utbredte eksistensen av disse "useriøse" bølgene. I 2007 ble det videre bevist via satellittradarstudier at bølger med kam til bunnhøyder på 20 meter til 30 meter forekommer langt oftere enn tidligere antatt. Det er nå kjent at useriøse bølger forekommer i alle verdens hav mange ganger hver dag.

Det er nå godt akseptert at useriøse bølger er et vanlig fenomen. Professor Akhmediev ved Australian National University , en av verdens ledende forskere på dette feltet, har uttalt at det er omtrent 10 useriøse bølger i verdenshavene når som helst. Noen forskere har spekulert i at omtrent tre av hver 10.000 bølger i havene oppnår useriøs status, men på visse steder - som kystinnløp og elvemunninger - kan disse ekstreme bølgene utgjøre tre av hver 1000 bølger, fordi bølgeenergi kan fokuseres.

Rogue -bølger kan også forekomme i innsjøer . Et fenomen kjent som "Three Sisters" sies å forekomme i Lake Superior når en serie med tre store bølger dannes. Den andre bølgen treffer skipsdekket før den første bølgen klarner. Den tredje innkommende bølgen legger til de to akkumulerte tilbakespylingene og plutselig overbelaster skipsdekket med tonnevis med vann. Fenomenet er en av forskjellige teorier om årsaken til at SS  Edmund Fitzgerald senket på Lake Superior i november 1975.

Med henvisning til ekstreme hendelser, useriøse bølger og soliton -teori

Disse anses å være de viktigste funnene i det tjuende og tjueførste århundre matematisk og eksperimentell fysikk.

Optisk vitenskapsgruppe, Australian National University

Seriøse studier av fenomenet useriøse bølger startet først etter Draupner -bølgen i 1995 og har intensivert seg siden cirka 2005. En av de bemerkelsesverdige egenskapene til de useriøse bølgene er at de alltid dukker opp fra ingensteds og raskt forsvinner uten spor. Nyere forskning har antydet at det også kan være "super-useriøse bølger", som er opptil fem ganger gjennomsnittlig sjø-tilstand. Rogue -bølger har nå blitt et nesten universelt begrep gitt av forskere for å beskrive isolerte bølger med stor amplitude, som forekommer oftere enn forventet for normale, gaussiske distribuerte, statistiske hendelser. Rogue -bølger ser ut til å være allestedsnærværende i naturen og er ikke begrenset til havene. De vises i andre sammenhenger og har nylig blitt rapportert i flytende helium, i ikke -lineær optikk og i mikrobølgehulrom. Det er nå universelt akseptert av havforskere at disse bølgene tilhører en bestemt type havbølge, ikke tatt i betraktning av konvensjonelle modeller for havvindbølger.

I 2012 beviste forskere ved Australian National University eksistensen av useriøse bølgehull , en omvendt profil av en useriøs bølge. Forskningen deres skapte useriøse bølgehull på vannoverflaten, i en vannbølgetank. I maritim folkelore er historier om useriøse hull like vanlige som historier om useriøse bølger. De følger fra teoretisk analyse, men hadde aldri blitt bevist eksperimentelt.

Et papir fra 2015 studerte bølgeoppførselen rundt en useriøs bølge, inkludert optisk, og Draupner -bølgen, og konkluderte med at "useriøse hendelser ikke nødvendigvis dukker opp uten advarsel, men er ofte foran en kort fase av relativ rekkefølge".

I 2019 lyktes forskere i å produsere en bølge med lignende egenskaper som Draupner -bølgen (bratthet og brudd) og proporsjonalt større høyde ved å bruke flere bølgetog som møtes i en vinkel på 120 grader. Tidligere forskning hadde sterkt antydet at bølgen skyldes et samspill mellom bølger fra forskjellige retninger ("kryssende hav"). Forskningen deres fremhevet også at bølgebrytende atferd ikke nødvendigvis var som forventet. Hvis bølger møttes i en vinkel mindre enn omtrent 60 grader, "brøt" toppen av bølgen sidelengs og nedover (en "stupende bryter"). Men fra omtrent 60 grader og større begynte bølgen å bryte vertikalt oppover , og skapte en topp som ikke reduserte bølgehøyden som vanlig, men i stedet økte den (en "vertikal jet"). De viste også at brattheten til useriøse bølger kunne gjengis på denne måten. Til slutt observerte de at optiske instrumenter som laseren som ble brukt til Draupner -bølgen, kan være noe forvirret av sprayen på toppen av bølgen, hvis den går i stykker, og dette kan føre til usikkerhet på rundt 1–1,5 meter i bølgehøyden . De konkluderte med at "begynnelsen og typen av bølgebryting spiller en vesentlig rolle og er vesentlig forskjellig for kryssende og ikke-kryssende bølger. Avgjørende blir brudd mindre karmamplitudebegrensende for tilstrekkelig store kryssingsvinkler og innebærer dannelse av nær-vertikale stråler" .

Bilder fra 2019 -simuleringen av Draupner -bølgen, som viser hvordan bølgenes bratthet dannes, og hvordan toppen av en useriøs bølge bryter når bølger krysser i forskjellige vinkler. (Klikk på bildet for full oppløsning)
  • I den første raden (0 grader) bryter toppen opp horisontalt og stuper, og begrenser bølgestørrelsen.
  • I den midterste raden (60 grader) er det noe oppover løftet bruddatferd
  • I den tredje raden (120 grader), beskrevet som den mest nøyaktige simuleringen oppnådd av Draupner -bølgen, bryter bølgen oppover , som en vertikal stråle, og bølgetopphøyden er ikke begrenset av å bryte.

Forskningsinnsats

Det pågår for tiden en rekke forskningsprogrammer som fokuserer på useriøse bølger, inkludert:

  • I løpet av Project MaxWave identifiserte forskere fra GKSS Research Center, ved hjelp av data samlet inn av ESA -satellitter , et stort antall radarsignaturer som har blitt fremstilt som bevis for useriøse bølger. Videre forskning pågår for å utvikle bedre metoder for å oversette radarekkoene til havoverflaten, men for øyeblikket er denne teknikken ikke bevist.
  • The Australian National University , i samarbeid med Hamburg teknologiske universitet og Universitetet i Torino , har vært å gjennomføre eksperimenter i ikke-lineære dynamikk for å prøve å forklare såkalte røverstater eller morderen bølger. "Lego Pirate" -videoen har blitt mye brukt og sitert for å beskrive det de kaller "super useriøse bølger" som forskningen deres antyder kan være opptil fem ganger større enn de andre bølgene rundt dem.
  • European Space Agency fortsetter å forske på useriøse bølger med radarsatellitt.
  • United States Naval Research Laboratory , vitenskapsarmen til Navy and Marine Corps publiserte resultater av modellarbeidet i 2015.
  • Massachusetts Institute of Technology . Forskning på dette feltet pågår. To forskere ved Massachusetts Institute of Technology delvis støttet av Naval Engineering Education Consortium (NEEC) har vurdert problemet med kortsiktig prediksjon av sjeldne, ekstreme vannbølger og har utviklet og publisert sin forskning på et effektivt prediktivt verktøy på omtrent 25 bølger perioder. Dette verktøyet kan gi skip og mannskapene deres en varsel på to til tre minutter om potensielt katastrofal påvirkning, slik at mannskapet får tid til å stenge viktige operasjoner på et skip (eller en offshoreplattform). Forfatterne nevner landing på et hangarskip som et godt eksempel.
  • University of Colorado og University of Stellenbosch .
  • Universitetet i Kyoto .
  • Swinburne University of Technology i Australia publiserte nylig arbeid om sannsynligheten for useriøse bølger.
  • University of Oxford . Institutt for ingeniørvitenskap publiserte en omfattende gjennomgang av vitenskapen om useriøse bølger i 2014. I 2019 gjenskapt et team fra universitetene i Oxford og Edinburgh Draupner -bølgen i et laboratorium.
  • University of Western Australia .
  • Tallinn teknologiske universitet i Estland.
  • Extreme Seas Project finansiert av EU.
  • Umeå universitet . En forskergruppe ved Umeå universitet i Sverige i august 2006 viste at normale stokastiske vinddrevne bølger plutselig kan gi opphav til monsterbølger. Den ikke-lineære utviklingen av ustabilitetene ble undersøkt ved hjelp av direkte simuleringer av det tidsavhengige systemet med ikke-lineære ligninger.
  • Great Lakes Environmental Research Laboratory . GLERL forsket i 2002 som fjernet de langvarige påstandene om at useriøse bølger var sjeldne forekomster.
  • Universitetet i Oslo . Har forsket på: Å krysse sjøstaten og useriøs bølgesannsynlighet under Prestige -ulykken ; Ikke-lineære vindbølger, deres modifikasjon ved tidevannsstrømmer og anvendelse på norske kystvann; Generell analyse av realistiske havbølger (GROW); Modellering av strømmer og bølger for sjøkonstruksjoner og ekstreme bølgehendelser; Raske beregninger av bratte overflatebølger i tre dimensjoner, og sammenligning med eksperimenter; og veldig store indre bølger i havet.
  • National Oceanography Center i Storbritannia.
  • Scripps Institute of Oceanography i USA.
  • Ritmare -prosjekt i Italia.

Årsaker

Eksperimentell demonstrasjon av useriøs bølgegenerering gjennom ikke -lineære prosesser (i liten skala) i en bølgetank .
Den lineære delløsningen i den ikke -lineære Schrödinger -ligningen som beskriver utviklingen av en kompleks bølgekonvolutt på dypt vann.

Fordi fenomenet useriøse bølger fortsatt er et spørsmål om aktiv forskning, er det for tidlig å tydelig angi hva de vanligste årsakene er eller om de varierer fra sted til sted. Områdene med høyest forutsigbar risiko ser ut til å være der en sterk strøm går mot bølgenes primære bevegelsesretning; området nær Cape Agulhas utenfor sørspissen av Afrika er et slikt område; den varme Agulhas -strømmen går mot sørvest, mens den dominerende vinden er vestlig . Siden denne oppgaven imidlertid ikke forklarer eksistensen av alle bølger som har blitt oppdaget, er det sannsynligvis flere forskjellige mekanismer med lokal variasjon. Foreslåtte mekanismer for freakbølger inkluderer følgende:

Diffraktiv fokusering
I følge denne hypotesen leder kystform eller havbunnsform flere små bølger for å møtes i fase. Deres topphøyder kombineres for å skape en freak -bølge.
Fokusering etter strøm
Bølger fra en strøm blir drevet inn i en motstrøm. Dette resulterer i forkortelse av bølgelengden, forårsaker shoaling (dvs. økning i bølgehøyde), og motgående bølgetog komprimeres sammen til en useriøs bølge. Dette skjer utenfor den sør -afrikanske kysten, der Agulhas -strømmen blir motvirket av vestlige .
Ikke -lineære effekter ( modulasjonsstabilitet )
Det virker mulig å få en useriøs bølge til å oppstå ved naturlige, ikke -lineære prosesser fra en tilfeldig bakgrunn av mindre bølger. I et slikt tilfelle antas det at en uvanlig, ustabil bølgetype kan dannes som "suger" energi fra andre bølger og vokser til et nesten vertikalt monster selv, før den blir for ustabil og kollapser kort tid etter. En enkel modell for dette er en bølge -ligning kjent som den ikke -lineære Schrödinger -ligningen (NLS), der en normal og fullstendig ansvarlig (etter standard lineær modell) bølge begynner å "suge" energi fra bølgene umiddelbart forover og bakover, noe som reduserer dem til mindre krusninger sammenlignet med andre bølger. NLS kan brukes under dypt vann. På grunt vann beskrives bølger av Korteweg – de Vries -ligningen eller Boussinesq -ligningen . Disse ligningene har også ikke-lineære bidrag og viser solitærbølgeløsninger. En liten skurkbølge i samsvar med den ikke-lineære Schrödinger-ligningen (Peregrine Solution) ble produsert i en laboratoriet vanntank i 2011. Spesielt har studiet av solitons , og spesielt Peregrine solitons , støttet ideen om at ikke-lineære effekter kan oppstår i vannmasser.
Normal del av bølgespekteret
Rogue -bølger er ikke freaks i det hele tatt, men er en del av normal bølgenereringsprosess, om enn en sjelden ekstremitet.
Konstruktiv forstyrrelse av elementære bølger
Rogue -bølger kan skyldes konstruktiv interferens (dispersiv og retningsbestemt fokusering) av elementære 3D -bølger forsterket av ikke -lineære effekter.
Vindbølge interaksjoner
Selv om det er usannsynlig at vind alene kan generere en useriøs bølge, kan effekten kombinert med andre mekanismer gi en fyldigere forklaring på freak wave -fenomener. Når vinden blåser over havet, overføres energi til havoverflaten. Når sterk vind fra en storm tilfeldigvis blåser i motsatt retning av havstrømmen, kan kreftene være sterke nok til å tilfeldig generere useriøse bølger. Teorier om ustabilitetsmekanismer for generering og vekst av vindbølger - men ikke om årsakene til useriøse bølger - er gitt av Phillips og Miles.
Termisk ekspansjon
Når en stabil bølgegruppe i en varmvannsøyle beveger seg inn i en kaldvannsøyle, må størrelsen på bølgene endres fordi energi må bevares i systemet. Så hver bølge i bølgegruppen blir mindre fordi kaldt vann holder mer bølgeenergi basert på tetthet. Bølgene er nå plassert lenger fra hverandre, og på grunn av tyngdekraften vil de forplante seg til flere bølger for å fylle opp rommet og bli en stabil bølgegruppe. Hvis det eksisterer en stabil bølgegruppe i kaldt vann og beveger seg inn i en varm vannsøyle, blir bølgene større og bølgelengden blir kortere. Bølgene vil søke likevekt ved å prøve å forskyve bølgenes amplitude på grunn av tyngdekraften. Ved å starte med en stabil bølgegruppe kan bølgeenergien imidlertid forskyves mot midten av gruppen. Hvis både forsiden og baksiden av bølgegruppen forskyver energi mot midten, kan det bli en useriøs bølge. Dette ville bare skje hvis bølgegruppen er veldig stor.

Den rom-tidsmessige fokuseringen sett i NLS-ligningen kan også oppstå når ikke-lineariteten fjernes. I dette tilfellet skyldes fokus først og fremst at forskjellige bølger kommer i fase, i stedet for noen energioverføringsprosesser. Ytterligere analyse av useriøse bølger ved bruk av en ikke -lineær modell av RH Gibbs (2005) setter denne modusen i tvil, ettersom det er vist at en typisk bølgegruppe fokuserer på en slik måte at den produserer en betydelig vannvegg, på bekostning av en redusert høyde.

En useriøs bølge, og det dype trau som vanligvis ses før og etter det, kan bare vare i noen minutter før det enten går i stykker eller reduseres i størrelse igjen. Bortsett fra en enkelt useriøs bølge, kan useriøs bølge være en del av en bølgepakke som består av noen få useriøse bølger. Slike useriøse bølgegrupper har blitt observert i naturen.

Det er tre kategorier av freakbølger:

  • "Vegger av vann" som reiser opptil 10 km (6 mi) gjennom havet
  • "Three Sisters", grupper på tre bølger
  • Enkle, gigantiske stormbølger, som bygger opp til firdobler stormens bølger og høyder og kollapser etter noen sekunder

Vitenskapelige applikasjoner

Muligheten for kunstig stimulering av useriøse bølgefenomener har tiltrukket forskningsmidler fra DARPA , et byrå i USAs forsvarsdepartement . Bahram Jalali og andre forskere ved UCLA studerte mikrostrukturerte optiske fibre nær terskelen for soliton superkontinuumgenerering og observerte useriøse bølgefenomener. Etter å ha modellert effekten, kunngjorde forskerne at de med hell hadde karakterisert de riktige første forholdene for å generere useriøse bølger i et hvilket som helst medium. Ytterligere arbeider utført i optikk har pekt på rollen som en ikke -lineær struktur som heter Peregrine soliton, kan forklare de bølgene som dukker opp og forsvinner uten å etterlate spor.

Rapporterte møter

Hovedartikkel: Liste over useriøse bølger

Mange av disse møtene blir bare rapportert i media, og er ikke eksempler på useriøse bølger i åpent hav. Ofte, i populærkulturen, er en farlig stor bølge løst betegnet som en useriøs bølge , mens det ikke har blitt (og oftest ikke kan) fastslått at den rapporterte hendelsen er en useriøs bølge i vitenskapelig forstand - dvs. av en helt annen karakter i egenskaper som de omkringliggende bølgene i den sjøstaten og med svært lav sannsynlighet for forekomst (i henhold til en gaussisk prosessbeskrivelse som gyldig for lineær bølgeteori ).

Denne delen viser et begrenset utvalg av bemerkelsesverdige hendelser.

1800 -tallet

  • Eagle Island fyr (1861) - vann brøt glasset i strukturens østtårn og oversvømmet det, noe som antydet en bølge som oversteg 40 m (130 fot) klippen og overveldet tårnet på 26 m (85 fot).
  • Flannan Isles Lighthouse (1900) -tre fyrvoktere forsvant etter en storm som resulterte i at bølgeskadet utstyr ble funnet 34 meter over havet.

Det 20. århundre

  • SS Kronprinz Wilhelm , 18. september 1901 - Den mest moderne tyske havbåten i sin tid (vinner av det blå ribben ) ble skadet på jomfruturen fra Cherbourg til New York av en enorm bølge. Bølgen traff skipet mot fronten.
  • RMS Lusitania (1910) - Natten til 10. januar 1910 traff en 23 meter (75 fot) bølge skipet over baugen, skadet forvarslingsdekket og knuste brovinduene.
  • Voyage of the James Caird (1916) - Sir Ernest Shackleton møtte en bølge han kalte "gigantisk" mens han piloterte en livbåt fra Elephant Island til South Georgia Island.
  • RMS Homeric (1924) - Rammet av en bølge på 24 meter (80 fot) mens han seilte gjennom en orkan utenfor østkysten av USA, skadet syv mennesker, knuste mange vinduer og porthole, bar bort en av livbåtene og knipset stoler og andre beslag fra festene.
  • USS Ramapo (AO-12) (1933)-Triangulert på 34 meter (112 fot).
  • RMS  Queen Mary (1942)-Bredt av en 28 meter (92 fot) bølge og oppført kort om lag 52 grader før den sakte retter opp.
  • SS Michelangelo (1966) - Hull revet i overbygning, tungt glass knust 24 meter over vannlinjen og tre dødsfall.
  • SS  Edmund Fitzgerald (1975) - Lost on Lake Superior . En kystvaktrapport ga skylden for vanninngang til lukene, som gradvis fylte lasterommet, eller alternativt feil ved navigering eller kartlegging som forårsaket skade fra å løpe på stimer . Imidlertid ble et annet nærliggende skip, SS  Arthur M. Anderson , truffet på samme tid av to useriøse bølger og muligens en tredje, og dette så ut til å falle sammen med synkingen rundt ti minutter senere.
  • MS  München (1978) - Tapt til sjøs og etterlater bare spredt vrak og tegn på plutselige skader inkludert ekstreme krefter 20 meter (66 fot) over vannlinjen. Selv om mer enn en bølge sannsynligvis var involvert, er dette fortsatt den mest sannsynlige synkningen på grunn av en freak -bølge.
  • Esso Languedoc (1980)-En 25 til 30 meter lang bølge vasket over dekket fra akterenden til den franske supertankeren nær Durban , Sør-Afrika, og ble fotografert av førstemann, Philippe Lijour.
  • Fastnet fyr -rammet av en 48 meter lang bølge i 1985
  • Draupner -bølge ( Nordsjøen , 1995) - Den første useriøse bølgen bekreftet med vitenskapelig bevis, den hadde en maksimal høyde på 25,6 meter (84 fot).
  • RMS  Queen Elizabeth 2 (1995)-Møtte en 29 meter lang bølge i Nord-Atlanteren under orkanen Luis . Mesteren sa at det "kom ut av mørket" og "så ut som de hvite klippene i Dover ." Avisrapporter beskrev den gang cruiseskipet som et forsøk på å " surfe " på den nesten vertikale bølgen for ikke å bli senket.

det 21. århundre

  • US Naval Research Laboratory havbunns trykksensorer oppdaget en freak-bølge forårsaket av orkanen Ivan i Mexicogolfen , 2004. Bølgen var rundt 27,7 meter høy fra topp til bunn, og rundt 200 meter (660 fot) lang . Datamodellene deres indikerte også at bølger kan ha oversteget 40 meter (130 fot) i brillen.
  • Aleutian Ballad , ( Bering Sea , 2005) opptak av det som er identifisert som en 18 meter (60 fot) bølge, vises i en episode av Deadliest Catch . Bølgen treffer skipet om natten og lamler fartøyet, noe som får båten til å tippe en kort periode på siden. Dette er en av få videoopptak av det som kan være en useriøs bølge.
  • I 2006 kan forskere fra US Naval Institute teoretisere useriøse bølger som kan være ansvarlige for det uforklarlige tapet av lavflygende fly, for eksempel US Coast Guard- helikoptre under søk- og redningsoppdrag .
  • MS Louis Majesty ( Middelhavet , mars 2010) ble rammet av tre påfølgende 8 meter lange bølger mens de krysset Lionsbukten på et cruise i Middelhavet mellom Cartagena og Marseille . To passasjerer ble drept av glass da et lounge -vindu ble knust av den andre og tredje bølgen. Bølgene, som slo til uten forvarsel, var alle unormalt høye i forhold til havsvulmen på tidspunktet for hendelsen.
  • I 2019, Hurricane Dorian 's tropisk rest genereres en 100 fot (30 m) kjempebølge utenfor kysten av Newfoundland .

Kvantifisere virkningen av useriøse bølger på skip

Tapet av MS  München i 1978 ga noen av de første fysiske bevisene på eksistensen av useriøse bølger. München var et topp moderne lasteskip med flere vanntette rom og et ekspertmannskap. Hun gikk tapt med alt mannskapet og vraket har aldri blitt funnet. Det eneste beviset som ble funnet var styrbord -livbåt, som ble gjenopprettet etter flytende vrak en stund senere. Livbåtene hang fra blokker forover og bak 20 meter over vannlinjen. Pinnene hadde blitt bøyd tilbake fra forover til akter, noe som indikerte at livbåten som hang under den hadde blitt truffet av en bølge som hadde løpt fra for til akter på skipet og hadde revet livbåten fra skipet. For å utøve slik kraft må bølgen ha vært betydelig høyere enn 20 meter (66 fot). På tidspunktet for undersøkelsen ble eksistensen av useriøse bølger ansett så statistisk usannsynlig at det var nær umulig. Følgelig konkluderte Maritime Court -undersøkelsen med at det harde været på en eller annen måte hadde skapt en "uvanlig hendelse" som hadde ført til at München hadde sunket .

I 1980 gikk MV Derbyshire tapt under Typhoon Orchid sør for Japan sammen med hele mannskapet hennes. The Derbyshire var en malm-bulk-olje kombinasjonsskip bygget i 1976. På 91,655 brutto registertonn, hun var - og er fortsatt - den største britiske skipet som noen gang har gått tapt på sjøen. Vraket ble funnet i juni 1994. Undersøkelsesteamet satte inn et fjernstyrt kjøretøy for å fotografere vraket. En privat rapport ble publisert i 1998 som fikk den britiske regjeringen til å gjenåpne en formell etterforskning av synkingen. Den offentlige undersøkelsen inkluderte en omfattende undersøkelse av Woods Hole Oceanographic Institution , som tok 135.774 bilder av vraket under to undersøkelser. Den formelle rettsmedisinske undersøkelsen konkluderte med at skipet sank på grunn av strukturell svikt og fritar mannskapet for ethvert ansvar. Spesielt bestemt bestemte rapporten den detaljerte hendelsesforløpet som førte til skipets strukturelle svikt. En tredje omfattende analyse ble deretter utført av Douglas Faulkner, professor i marin arkitektur og havteknikk ved University of Glasgow . Hans rapport fra 2001 koblet tapet av Derbyshire med den nye vitenskapen om freak -bølger, og konkluderte med at Derbyshire nesten helt sikkert ble ødelagt av en useriøs bølge.

Arbeid av Smith i 2007 bekreftet tidligere rettsmedisinsk arbeid av Faulkner i 1998 og bestemte at Derbyshire ble utsatt for et hydrostatisk trykk av et "statisk vann" på omtrent 20 meter (66 fot) med et resulterende statisk trykk på 201 kilopascal (18,7 kN/kvm). Dette er faktisk 20 meter (66 fot) grønt vann (muligens en super useriøs bølge ) som strømmer over fartøyet. Dekkslastluker på Derbyshire var fast bestemt på å være hovedpunktet for fiasko da den useriøse bølgen skyllet over skipet. Utformingen av lukene tillot bare et statisk trykk på mindre enn 2 meter vann eller 17,1 kilopascal (1,59 kN/sq ft), noe som betyr at tyfonbelastningen på lukene var mer enn ti ganger designbelastningen. Den rettsmedisinske strukturanalysen av vraket i Derbyshire er nå allment ansett som ubestridelig.

I tillegg er det nå kjent at bølger i rask bevegelse også utøver ekstremt høyt dynamisk trykk. Det er kjent at stupende eller bryte bølger kan forårsake kortvarige impulstrykkstopper som kalles Gifle-topper. Disse kan nå et trykk på 200 kilopascal (19 kN/sq ft) (eller mer) i millisekunder, noe som er tilstrekkelig trykk til å føre til sprø brudd av mildt stål. Bevis på feil ved denne mekanismen ble også funnet på Derbyshire . Smith har dokumentert scenarier der hydrodynamisk trykk på opptil 5.650 kilopascal (525 kN/sq ft) eller over 500 tonn per 1 kvadratmeter (11 sq ft) kan forekomme.

I 2004 ble det registrert en ekstrem bølge som påvirket Admiralty Breakwater, Alderney på Kanaløyene. Denne moloen er utsatt for Atlanterhavet. Topptrykket registrert av en landmontert transduser var 745 kilopascal [kPa] (108,1 psi). Dette presset overstiger langt nesten alle designkriterier for moderne skip, og denne bølgen ville ha ødelagt nesten alle handelsskip.

Designstandarder

I november 1997 vedtok International Maritime Organization (IMO) nye regler som dekker overlevelsesevne og strukturelle krav til bulkskip på 150 meter (490 ft) og oppover. Skottet og dobbeltbunnen må være sterk nok til at skipet kan overleve flom i lasterom med mindre lastingen er begrenset.

Rogue -bølger utgjør en betydelig fare av flere årsaker: de er sjeldne, uforutsigbare, kan dukke opp plutselig eller uten forvarsel og kan påvirke med enorm kraft. En 12 meter (39 fot) bølge i den vanlige "lineære" modellen ville ha en bruddkraft på 6 tonn per kvadratmeter [t/m 2 ] (8,5 psi). Selv om moderne skip er designet for å (typisk) tolerere en bruddbølge på 15 t/m 2 , kan en useriøs bølge dverge begge disse figurene med en bruddkraft som langt overstiger 100 t/m 2 . Smith har presentert beregninger ved bruk av International Association of Classification Societies (IACS) Common Structural Rules (CSR) for en typisk bulkskip som er konsistente.

Peter Challenor, en ledende forsker på dette feltet fra National Oceanography Center i Storbritannia, ble sitert i Caseys bok i 2010 for å si: "Vi har ikke den tilfeldige roteteorien for ikke -lineære bølger. I det hele tatt." Han la til, "Folk har jobbet aktivt med dette i de siste 50 årene. Vi har ikke engang starten på en teori."

I 2006 foreslo Smith at anbefaling 34 fra International Association of Classification Societies (IACS) vedrørende standard bølgedata endres slik at minimum designbølgehøyde økes til 65 fot (19,8 m). Han presenterte analyse for at det var tilstrekkelig bevis for å konkludere med at 20,1 m høye bølger kan oppleves i løpet av 25 års levetid for havgående fartøyer, og at høye bølger på 29 fot er mindre sannsynlige, men ikke utenfor spørsmålet. Derfor virker et designkriterium basert på 11 fot høye bølger utilstrekkelig når risikoen for å miste mannskap og last vurderes. Smith har også foreslått at den dynamiske kraften til bølgeslag skal inkluderes i strukturanalysen. De norske offshorestandardene tar nå høyde for ekstreme alvorlige bølgeforhold og krever at en bølge på 10.000 år ikke setter skipenes integritet i fare. Rosenthal bemerker at fra 2005 ble det ikke eksplisitt redegjort for useriøse bølger i Classification Societies 'Rules for ships' design. Som et eksempel publiserer DNV GL , et av verdens største internasjonale sertifiseringsorgan og klassifiseringssamfunn med hovedkompetanse innen teknisk vurdering, rådgivning og risikostyring sine Strukturdesignlastprinsipper som i stor grad fortsatt er basert på 'Signifikant bølgehøyde' og som kl. Januar 2016 har fortsatt ikke inkludert noen godtgjørelse for useriøse bølger.

Den amerikanske marinen inntok historisk designposisjonen som den største bølgen som sannsynligvis vil bli støtt på var 21,4 m (70 fot). Smith observerte i 2007 at marinen nå tror at større bølger kan forekomme og muligheten for ekstreme bølger som er brattere (dvs. ikke har lengre bølgelengder) nå blir anerkjent. Sjøforsvaret har ikke måtte gjøre noen grunnleggende endringer i skipets design som en konsekvens av ny kunnskap om bølger større enn 21,4 m (70 fot) fordi de bygger til høyere standarder.

Det er mer enn 50 klassifiseringssamfunn over hele verden, hver med forskjellige regler, selv om de fleste nye skip er bygget etter standardene til de 12 medlemmene i International Association of Classification Societies , som implementerte to sett med felles strukturregler; en for oljetankskip og en for bulkskip; i 2006. Disse ble senere harmonisert til et enkelt sett med regler.

Se også

Merknader

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker

Ekstremt havprosjekt

MaxWave -rapport og WaveAtlas

Annen