Волны-убийцы описываются уравнениями квантовой механики

Гигантские волны, странные волны, аномальные волны, и, наконец, волны-убийцы - разные имена для одного и того же загадочного явления, которое до сих пор вызывает у моряков ужас. Ученые долго сомневались в реальности существования таких волн, считая рассказы моряков выдумкой или преувеличением. Ведь обычные волны, возникающие под действием ветра, для самого сильного урагана (шторм в 10 баллов по шкале Бофорта) имеют амплитуду около 11 м. Откуда же могут появиться волны в 30 и больше метров? Отметим, что речь не идет о цунами, которые являются результатом подводного землетрясения или взрыва подводного вулкана, и разрушительная сила цунами приходится в основном на прибрежные районы. Цунами можно предсказать, имея станции сейсмонаблюдения в разных районах Мирового Океана.

Новейшая история наблюдения за возникновением гигантских волн показала, что волны-убийцы действительно существуют. В 1980 году танкер "Эссо Лангедок" накрыла аномальная волна у берегов Южной Африки, которая достала до мачт, расположенных на высоте 25 м над уровнем моря. В 1995 году крупнейший в мире круизный лайнер Queen Elizabeth II столкнулся в открытом океане с волной высотой 29 м. Будь на месте этих современных кораблей другие, поменьше, они вполне могли бы не выдержать столкновений. По мировым стандартам, суда должны выдерживать штормы с высотой волны до 15-17 м. Статистика морских катастроф приводит данные, что за последние 20 лет во всем мире затонули около 200 крупных танкеров и сухогрузов, которые были технически исправны и не должны были утонуть от обычного шторма.

Несколько лет назад Европейское космическое агентство решило прояснить вопрос о том, насколько часто возникают волны-убийцы. В рамках проекта MaxWave в разных районах Мирового океана всего за три недели c помощью спутников были получены фотографии десяти аномальных волн высотой 25-30 м. Таким образом, оказалось, что гигантские волны - не такое уж редкое явление. Этот факт противоречил расчетам теоретиков, которые объясняли возникновение таких волн случайной интерференцией более мелких волн, а вероятность такого события оценивали как один раз в десять тысяч лет.

Немалый вклад в изучение аномально высоких волн внесли и российские ученые. Теория возникновения и распространения уединенных волн (т.н. солитонов) многим обязана трудам академика В.Е.Захарова. Нижегородская школа радиофизики разработала ряд моделей, включающих в себя дисперсионное сжатие волновых пакетов ветровых волн, их геометрическое фокусировку, нелинейную модуляционную неустойчивость и другие волновые эффекты. Результаты этих работ были обобщены в книге "Волны-убийцы: факты, теория и моделирование", вышедшей в Нижнем Новгороде в 2004 году. Ученым Института прикладной физики РАН удалось даже зарегистрировать в 2001 году аномально высокую волну в Черном море с помощью стационарного буя. Эта аномальная волна существовала всего 4-5 секунд.

Опубликованная на прошлой неделе в Physical Review Letters работа шведских и немецких ученых смогла, наконец, объяснить возникновение этих волн. Ученые выявили аналогии в поведении волн и в описании целого ряда волновых явлений в нелинейной оптике, физике плазмы, линиях передачи сигнала и в других разделах физики.

Самое интересное в этой работе то, что учёные описали нелинейное взаимодействие двух волн уравнениями Шрёдингера, используемые обычно для расчета волновых функций квантовых частиц. При этих взаимодействиях происходит обмен энергией между волнами, а не просто интерференция, и это приводит к нелинейному росту амплитуды волны вместо обычной линейной суперпозиции волн.

Ученые смоделировали различные случаи нелинейного взаимодействия двух волн, сталкивающихся при различных скоростях и под разным углом. Оказалось, что если исходные морские волны пересекаются под определенным, сравнительно небольшим углом, возникает нестабильность в поведении волн, которая и дает в итоге аномальные значения амплитуды. Этому способствуют также сильные течения, которые могут "фокусировать" взаимодействующие волны.

Конечно, неожиданная эффективность применения уравнений Шредингера для описания взаимодействия волн - это лишь частный случай, и вряд ли это объяснение будет универсальным. Ученым еще предстоит проверить свою гипотезу статистически и с широким использованием компьютерного моделирования. Лишь после этого можно будет говорить о какой-либо прогностической способности этой модели и использовании ее в практических целях.