Vedátor: Túlavé vlny

Píše sa 1. január 1995, sú asi tri hodiny popoludní a na plošine Draupner v Severnom mori sa o niekoľko sekúnd stane z námorníckych historiek vedecká skutočnosť.

V minulosti námorníci často rozprávali, ako ich loď z ničoho nič narazila na obrovskú, aspoň 15-metrovú vlnu. Prežili to vraj len o chlp, vlna sa postupne vytratila a už nikdy nič podobné nevideli. Ktokoľvek si takýto príbeh vypočul, mal jasné vysvetlenie – námornícky gin. Pravdou však bolo, že veľa lodí, aj pomerne veľkých, sa z výprav nevrátilo, zmizli z ničoho nič. A rovnako bolo skutočnosťou, že niektoré majáky boli poškodené vysoko nad úrovňou mora. Veľmi vysoko. Napríklad v roku 1861 vybilo sklá na majáku na Eagle Island v Írsku, pričom tento maják stojí na vrchole 40-metrového útesu.

Prvé exaktné meranie

V roku 1984 sa z plošiny Gorm v Severnom mori podarilo vidieť vlnu vysokú 11 metrov. To nie je také nezvyklé, surfistov bežne vidíme aj na väčších vlnách. Zvláštne však bolo, že sa táto vlna objavila v inak relatívne pokojnom mori, obklopená len oveľa menšími vlnami. Žeby niečo predsa len bolo na historkách námorníkoch o šialene vysokej vlne, ktorá sa z ničoho nič objavila?

Meranie z 1. januára 1995 na plošine Draupner v Severnom mori poskytlo prvý dôkaz túlavej vlny, graf wikipédia/Ingvald Straume.

Práve pozorovaná vlna na Gorme sa považuje za prvú túlavú vlnu (angl. rogue waves). Túlavá vlna nemusí byť nutne extrémne vysoká, stačí, keď je vyššia než okolité. Podľa definície je túlava vlna vyššia než dvojnásobok priemeru tretiny najvyšších vĺn. Gormská vlna síce kritériá spĺňa, no kvôli svojej neimpozantnej výške veľa ľudí nezaujala.
Pozornosť odbornej verejnosti strhla až vlna, ktorú zaznamenali meracie prístroje na spomínanej ropnej plošine Draupner. Vlna dosiahla výšku 25,6 metra, čo je v týchto končinách nevídané. Dovtedy sa o vlnách rozmýšľalo tak, že k ich veľkosti môžeme pristupovať ako k náhodnej veličine, pričom pravdepodobnosť je rozdelená gaussovsky. To znamená, že väčšina vĺn je relatívne podobných priemernej vlne, extrémne prípady sú veľmi vzácne. Podobným príkladom je výška ľudí: Priemerná výška ľudí je asi 170 centimetrov, bežne stretnete dospelých ľudí, ktorí sú o pár desiatok centimetrov vyšší alebo nižší, no vidieť niekoho vysokého viac ako 230 centimetrov je vzácne a niekoho vysokého nad 270 centimetrov takmer nemožné.
Obdobne je to aj s vlnami. Vie sa, že v princípe veľké vlny môžu existovať, no extrémne vysoké vlny sú mimoriadne nepravdepodobné.

Viacero príčin

Simulácia Draupnerovej vlny z roku 2019 uverejnená na stránkach Journal of Fluid Mechanics ukazuje, ako vzniká strmosť túlavej vlny a ako sa zlomí jej hrebeň, keď sa vlny krížia pod rôznymi uhlami: a) Pri 0° uhle sa hrebeň vlny láme horizontálne a klesá, obmedzujúc veľkosť vlny; b) Pri 120° uhle (najpresnejšia dosiahnutá simulácia) sa vlna láme smerom nahor a výška hrebeňa vlny nie je obmedzená zlomením, foto McAllister et al 2019.

Plošinu Draupner projektovali tak, aby bola pripravená aj na teoreticky najvyššiu vlnu počas najbližších 10 000 rokov. Vlna, čo ju zasiahla už o desať rokov neskôr, bola o šesť metrov vyššia. Extrémne vysoké vlny sú síce vzácne, no oveľa menej, ako by sa naivne čakalo – vedci sa preto pustili do hľadania mechanizmu, ktorý ich spôsobuje.
Keď sa na fyzikálnom kurze začnú preberať vlny, často sa začne frázou: Predstavte si vlny na vode. Je to dobré pre predstavivosť, ale úplne zlý príklad. Základné vlny opisuje vlnová rovnica zachytávajúca vlnenie materiálov, vzduchu, strún aj elektromagnetických či gravitačných vĺn. Táto rovnica je v základnom tvare lineárna. To znamená, že keď nájdeme jej dve riešenia, tak aj ich súčet je správnym riešením rovnice. Jednoducho povedané – spojením dvoch vĺn dostaneme vlnu zodpovedajúcu ich jednoduchému súčtu.
Niekedy je situácia zložitejšia a v rovnici vystupujú aj nelineárne členy. To znamená, že keď sa dve vlny ovplyvňujú netriviálnym spôsobom, dochádza medzi nimi k istej forme interakcie. Opis takýchto systémov je zložitý a často sa dá vysvetliť len numerickými metódami.

Pokračovanie článku si môžete prečítať v časopise Quark 4/2020. Ak chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov, prihláste sa. Ak ešte nie ste naším predplatiteľom, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.

Samuel Kováčik
Dublin Institute for Advanced Studies
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space.

Komentáre