II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ТЕМА РАБОТЫ«ДЕВЯТЫЙ ВАЛ» – МОРСКОЕ ЦУНАМИ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Цели и задачи исследования:
- изучить теоретическое обоснования возможности эффекта «девятого вала»;
- воссоздать одни из возможных условий возникновения гигантских волн в эксперименте.
Для того, чтобы перейти к изучению данного вопроса мы должны знать несколько определений:
Волна́ – изменение некоторой совокупности физических величин (характеристик некоторого физического поля или материальной среды), которое способно перемещаться, удаляясь от места их возникновения, или колебаться внутри ограниченных областей пространства [1].
Солито́н – структурно устойчивая уединённая волна, распространяющаяся в нелинейной среде.
Солитоны ведут себя подобно частицам (частицеподобная волна): при взаимодействии друг с другом или с некоторыми другими возмущениями они не разрушаются, а продолжают движение, сохраняя свою структуру неизменной. Это свойство может использоваться для передачи данных на большие расстояния без помех.
История изучения солитона началась в августе 1834 года на берегу канала Юнион вблизи Эдинбурга. Джон Скотт Рассел наблюдал на поверхности воды явление, которое он назвал уединённой волной – «solitary wave»[2,3].
Теперь перейдём ближе к теме.
Существует легенда, что «девятый вал» самая сильная и опасная волна во время морской бури. Она редко встречается и считается самой большой и высокой в открытом океане.
Гигантские волны или волны-убийцы[4] – гигантские одиночные волны, возникающие в океане, высотой 20–30 (а иногда и больше) метров, обладающие нехарактерным для морских волн поведением. «Волны-убийцы» представляют самую непосредственную опасность для судов и морских сооружений: корпус судна, встретившегося с такой волной, может не выдержать громадного давления обрушившейся на него воды (до 980 кПа, 9,7 атм), и судно затонет за считанные минуты.
В ходе работы, я хочу получить экспериментальное подтверждение возможности возникновения гигантских волн.
Основная часть.
Теоретическая часть.
Я посмотрела много исследований на данную тему. Изначально «девятый вал» считали легендой, которую моряки рассказывают доверчивым людям.
В отличие от цунами, возникающих в результате подводных землетрясений или оползней и набирающих большую высоту лишь на мелководье, появление гигантских волн не связано с катастрофическими геофизическими событиями. Размеры этих волн в целом зависят линейно от средней высоты волны, но превышают её во много раз, что приводит к идее о том, что само это явление связано с особенностями динамики самих морских волн [5].
7 декабря 1978 года случилось событие в результате которого легенда была подтверждена реальным событием. Корабль под названием «Мюнхен», нового на тот момент типа, считавшегося неуязвимым, потерпел крушение по неизвестным причинам. Началось расследование. Ничего так и не нашли.
Даже после этого, до 1995 года блуждающие волны считались вымыслом, так как они не укладывались ни в одну существовавшую в то время математическую модель возникновения и поведения морских волн, а также не находилось достаточного количества достоверных свидетельств. Однако 1 января 1995 года на нефтяной платформе «Дропнер» в Северном море у побережья Норвегии была впервые приборно зафиксирована волна высотой в 25,6 метра, названная волной Дропнера.
Рис. 1. Экстремальная волна (Hmax=29,8 м, Hmax/Hs=2,9) в Южной Атлантике, обнаруженная 20 августа 1996 г. на изображении спутника ERS-2 и восстановленный профиль волны по алгоритму, разработанному в Немецком аэрокосмическом центре. © ESA/DLR
Дальнейшие исследования в рамках проекта MaxWave («Максимальная волна»), который предусматривал мониторинг поверхности мирового океана с помощью радарных спутников ERS-1 и ERS-2 Европейского космического агентства (ESA), зафиксировали за три недели по всему земному шару более 10 одиночных гигантских волн, высота которых превышала 25 метров. Эти исследования заставили по-новому рассмотреть причины гибели за прошлые два десятилетия судов такого размера, как контейнеровозы и супертанкеры, включив в число возможных причин и волны-убийцы. На основании полученных данных был запущен новый проект европейских учёных, получивший название Wave Atlas (Атлас волн) и предусматривающий составление всемирного атласа наблюдавшихся волн-убийц и статистическую его обработку.
Существует несколько гипотез о причинах возникновения гигантских волн. Многие из них лишены здравого смысла. Наиболее простые объяснения построены на анализе простой суперпозиции волн разной длины. Оценки, однако, показывают, что вероятность экстремальных волн в такой схеме оказывается слишком мала. Другая заслуживающая внимания гипотеза предполагает возможность фокусировки волновой энергии в некоторых структурах поверхностных течений.
Прямое моделирование гигантских волн было предпринято в работах В. Е. Захарова, В. И. Дьяченко, Р. В. Шамина.[6] Численно решались уравнения, описывающие нестационарное течение идеальной жидкости со свободной поверхностью. Используя особый вид уравнений, удалось проводить вычисления с большой точностью и на больших временных интервалах. В ходе численных экспериментов были получены характерные профили для волн-убийц, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными.
Рис. 2. Численное моделирование волны-убийцы
В ходе большой серии вычислительных экспериментов по моделированию динамики поверхностных волн идеальной жидкости, имеющих характерные для океана физические параметры, были построены эмпирические функции частот возникновения волн-убийц в зависимости от крутизны (~энергии) и дисперсии начальных данных.[7]
Одной из проблем в изучении волн-убийц является сложность их получения в лабораторных условиях. В основном исследователи вынуждены работать с данными, полученными при наблюдениях в естественных условиях, причём такие данные весьма ограничены в силу непредсказуемого характера возникновения волны-убийцы.
В 2010 году впервые экспериментально были получены солитоны-бризеры Перегрина, являющиеся, по мнению многих учёных, возможным прототипом волн-убийц. Эти солитоны, являющиеся частным решением нелинейного уравнения Шрёдингера, были получены для оптической системы[8], однако уже в 2011 году эти же солитоны были получены и для волн на воде[9]. В 2012 году в ещё одном эксперименте учёным удалось экспериментально продемонстрировать генерацию солитона-бризера более высокого порядка, для которого амплитуда в пять раз превышает амплитуду фонового волнения[10].
Согласно линейной модели, если сопоставить высоту отдельных волн с высотой волн вокруг, все они должны лежать на прямой. Для случаев когда средние размеры волн малы, модель оказалась верной. В ходе одной из серий наблюдений было зафиксировано 24 волны лежащих намного выше линии обычных волн. Эти крупные волны появлялись гораздо чаще чем предсказывала линейная модель. Оказалось, что они совсем иные по своему происхождению. У них другие характеристики. Они круче и больше чем обычные. Стандартные волны идут плавно, в то время как эти, забирая энергию у соседей, становятся крутыми, как стена, и с большими углублениями по бокам. Обычные корабли делают с учётом прохождения волн высотой 15 метров и данное исследование стало печальной перспективой для судостроительных компаний. Учёные стали глубже изучать вопрос о «девятом вале». Они изучали места, где чаще всего случались кораблекрушения по вине гигантских волн. При нанесении их на карту было выяснено, что почти все они случились в местах с сильными океанскими течениями. Само по себе, течение не создаёт гигантских волн, но при влиянии внешних факторов, таких как ветер и волны в противоположном течению направлении, всё более чем реально. Также волна становится больше, если идёт поперёк течения. В итоге было доказано, что ничего мистического в гигантских волнах нет, и что это обычное стечение конкретных природных факторов. Кораблям просто изменили маршруты. Они должны были огибать места с сильными течениями. Казалось загадка разрешена.
Но появился ещё один тип гигантских волн, который заставил учёных вернуться к своим исследованиям. В Южной Атлантике, в феврале 1995 года корабль «Ледонская звезда» со множеством туристов на борту вышел в круиз по Антарктике. Корабль был построен с учётом подготовки для путешествий в условиях ложной ледовой обстановки. Поэтому когда команда получила штормовое предупреждение, никто не забеспокоился. Но именно в этот раз судно настигла та самая огромная волна. По рассказам очевидцев, она была вдвое больше других волн (около 30 метров) и шла на них словно стена. К счастью все остались живы. На этой же неделе, примерно в том же месте чуть не утонул другой туристический корабль. Повреждения были очень большими, но к счастью, обошлось без жертв. Проблема для учёных заключалась в том, что в этой местности не бывает течений. Вопрос снова начали изучать .
Для решения этой проблемы обратились к другой научной области – кванотовой физике. Ученый Л. Озборн относит это явление к миру нелинейной квантовой физики, в котором предметы появляются и исчезают согласно уравнению Шредингера. Оно также описывает теоретическую водную поверхность, на которой могут без причины появляться гигантские волны. В нем волны делятся на 2 типа: обычные стабильные линейные волны (синусоидальные) и не стабильные нелинейные волны. По данному нелинейному уравнению волны почему-то выходят из равновесия и начинают отбирать энергию у соседей, вырастая до размеров 20 и более метров и создавая рядом с собой глубокие впадины, то есть «девятый вал». До всех вышеперечисленных случаев, более 30 лет считалось, что такое просто невозможно и данные явления не принимались в расчёт. Опасен не только размер волн, но и их форма. Модель кораблестроения предполагает, что волны всегда однородны и слегка покатые. За счёт своей стенообразной формы, эти гиганты наносят огромный урон всему, что встречается на их пути.
Экспериментальная часть.
В ходе работы я решила попробовать в лабораторных условиях повторить возникновение гигантских волн в случае наличия течения.
Для этих целей была использована ванная, наполненная подкрашенной водой. Течение создавалось направленным потоком воды. Ветер имитировался при помощи фена.
Для сопоставления размеров получаемых волн, на одну из сторон ванной была закреплена пластиковая линейка.
На всех рисунка приведённых ниже, течение направлено слева направо.
В ходе серии экспериментов, были получены следующие результаты:
Рис. 3. Эксперимент №1: Синей стрелкой указано направление течения, красной стрелкой – направление ветра.
Рис. 4. Эксперимент №2: Синей стрелкой указано направление течения, красной стрелкой – направление ветра.
Как видно из приведённых материалов эксперимента, при совпадении направления ветра и течения, высота волн относительно невелика, а их форма пологая. При направлении ветра, противоположном течению, высота волны возрастает, а её форма становится более крутой.
На мой взгляд, физическое объяснение этого явления состоит в том, что при противоположном направлении течения и ветра, течение препятствует образованию ветровой волны, приводя к увеличению её амплитуды и делая волны более крутыми.
Заключение.
Изучая теоретические и экспериментальные аспекты темы «девятого вала» или гигантских волн, я собрала значительный теоретический материал.
Точность и достоверность экспериментов других исследователей данного вопроса существенно превосходит приведённые мною в этой работе, поэтому считаю, что возможностей для достоверного экспериментального подтверждения теории в полном объёме получено не было и работу в целом можно признать выполненной лишь частично.
С целью более достоверной имитации возникновения гигантских волн, мною был изучен материал по изготовлению аппарата создания классических волн, который будет применён в мною при дальнейшем изучении данного вопроса.
Список использованной литературы.
1. Волны // Физическая энциклопедия (в 5 томах) / Под редакцией акад. А. М. Прохорова. – М.: Советская Энциклопедия, 1988. – Т. 1. – С. 315. – ISBN 5-85270-034-7.
2. Абловиц М., Сигур Х. Солитоны и метод обратной задачи. М.: Мир, 1987, с.12.
3. Дж. Л. Лэм. Введение в теорию солитонов. – М.: Мир, 1983. – 294 с.
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Волны-убийцы#cite_note-1
5. http://www.geogr.msu.ru/science/aero/acenter/int_sem7/waves.htm
6. Р.В. Шамин О существовании гладких решений уравнений Дьяченко, описывающих неустановившиеся течения идеальной жидкости со свободной поверхностью. // Доклады Российской академии наук. – 2006. – Т. 406, № 5. – С. 112–113.
7. В.Е. Захаров, Р.В. Шамин О вероятности возникновения волн-убийц. // Pis'ma v ZhETF. – 2010. – Т. 91, № 2. – С. 68–71.
8. B. Kibler, J. Fatome, C. Finot, G. Millot, F. Dias, G. Genty, N. Akhmediev & J. M. Dudley The Peregrine soliton in nonlinear fibre optics (англ.) // Nature Physics. – 2010. – Vol. 6. – P. 790–795. – DOI:10.1038/nphys1740.
9. A. Chabchoub, N. Hoffmann, and N. Akhmediev Rogue Wave Observation in a Water Wave Tank (англ.) // Phys. Rev. Lett.. – 2011. – Vol. 106. – P. 204502. – DOI:10.1103/PhysRevLett.106.204502.
10. A. Chabchoub, N. Hoffmann, M. Onorato, and N. Akhmediev Super Rogue Waves: Observation of a Higher-Order Breather in Water Waves (англ.) // Phys. Rev. X. – 2012. – Vol. 2. – P. 011015. – DOI:10.1103 / PhysRevX.2.011015.