Niedawne badania podkreślają, że fale oceaniczne w pewnych warunkach mogą stać się czterokrotnie bardziej strome, niż wcześniej sądzono, co stanowi wyzwanie dla standardowego dwuwymiarowego modelu fizyki fal.
Naukowcy odkryli, że trójwymiarowe fale w środowisku wielokierunkowym mogą stać się bardziej strome nawet po załamaniu, co ma istotne konsekwencje dla projektowania konstrukcji morskich, prognozowania pogody i zrozumienia procesów oceanicznych.
Ekstremalna dynamika fal
Dokonując zaskakującego odkrycia, naukowcy odkryli, że fale oceaniczne mogą stać się znacznie bardziej ekstremalne i złożone, niż wcześniej sądzono.
Wyniki nowego badania opublikowano 18 września w czasopiśmie Naturapokazuje, że w określonych warunkach, gdy fale spotykają się z różnymi kierunkami, mogą osiągnąć wysokość czterokrotnie większą, niż kiedyś sądzono, że jest to możliwe.
Często zakładano, że fale są dwuwymiarowe i dotychczasowe zrozumienie załamania fal opierało się na tych założeniach. Jednak w oceanie fale mogą przemieszczać się w wielu kierunkach i rzadko pasują do tego uproszczonego modelu.
Przełom w badaniach nad złożonością fal
Nowe spostrzeżenia zespołu badaczy, w tym dr Samuela Draycotta z Uniwersytetu w Manchesterze i dr Marka McAllistera z Uniwersytet Oksfordzkiujawniają, że fale trójwymiarowe, które charakteryzują się bardziej złożonymi, wielokierunkowymi ruchami, mogą być dwukrotnie bardziej strome przed załamaniem w porównaniu z konwencjonalnymi falami dwuwymiarowymi, a co jeszcze bardziej zaskakujące, nadal rosną jeszcze bardziej stromo, nawet po wystąpieniu załamania.
Odkrycia mogą mieć wpływ na sposób projektowania konstrukcji przybrzeżnych, prognozowanie pogody i modelowanie klimatu, a jednocześnie wpływać na naszą podstawową wiedzę na temat kilku procesów oceanicznych.
Konsekwencje dla projektowania i bezpieczeństwa zastosowań offshore
Profesor Ton van den Bremer, badacz z TU Delft, twierdzi, że jest to zjawisko bezprecedensowe: „Kiedy konwencjonalna fala się załamie, tworzy białą czapę i nie ma odwrotu. Kiedy jednak załamuje się fala o dużym kierunkowym rozprzestrzenianiu się, może ona dalej rosnąć.”
Fale trójwymiarowe powstają w wyniku rozchodzenia się fal w różnych kierunkach. Skrajną formą tego zjawiska jest „przecinanie się” systemów fal, co ma miejsce w sytuacjach, gdy spotykają się systemy fal lub gdy wiatr nagle zmienia kierunek, na przykład podczas huraganu. Im bardziej rozproszone są kierunki tych fal, tym większa może być powstała fala.
Dr Sam Draycott, starszy wykładowca inżynierii oceanicznej na Uniwersytecie w Manchesterze, powiedział: „Pokazujemy, że w takich warunkach kierunkowych fale mogą znacznie przekroczyć powszechnie przyjmowaną górną granicę, zanim się załamią. W przeciwieństwie do fal jednokierunkowych (2D), fale wielokierunkowe mogą stać się dwa razy większe, zanim się załamią.
Profesor Frederic Dias z University College Dublin i ENS Paris-Saclay dodał: „Czy tego chcemy, czy nie, w prawdziwym świecie fale wodne są częściej trójwymiarowe niż dwuwymiarowe. W 3D fale mogą się załamywać na więcej sposobów”.
Postęp w badaniach i projektowaniu morskim
Obecne projekty i cechy bezpieczeństwa konstrukcji morskich opierają się na standardowym modelu fal 2D, a odkrycia mogą sugerować przegląd tych konstrukcji w celu uwzględnienia bardziej złożonego i ekstremalnego zachowania fal 3D.
Dr Mark McAllister z Uniwersytetu Oksfordzkiego i Wood Thilsted Partners powiedział: „Trójwymiarowość fal jest często pomijana przy projektowaniu morskich turbin wiatrowych i ogólnie innych konstrukcji morskich. Nasze ustalenia sugerują, że może to prowadzić do niedoszacowania ekstremalnych wartości wysokości fal i potencjalnie mniej niezawodne konstrukcje.”
Odkrycia mogą również wpłynąć na naszą podstawową wiedzę na temat kilku procesów oceanicznych.
Dr Draycott powiedział: „Załamanie fal odgrywa kluczową rolę w wymianie powietrze-morze, w tym w absorpcji C02wpływając jednocześnie na transport cząstek stałych w oceanach, w tym fitoplanktonu i mikroplastików”.
Projekt jest kontynuacją wcześniejszych badań, opublikowany w 2018 rokudo pełni odtwórz i przestudiuj słynną falę dziwaków Draupnera po raz pierwszy w historii Ośrodek badawczy FloWave zajmujący się energią oceaniczną na Uniwersytecie w Edynburgu. Teraz zespół opracował nową technikę pomiaru fal 3D, aby dokładniej badać fale załamujące.
Szczegółowa analiza z wykorzystaniem nowych technik
Basen falowy FloWave to okrągły, wielokierunkowy zbiornik symulujący fale i prądy, który jest wyjątkowo dostosowany do generowania fal z wielu kierunków.
Dr Thomas Davey, główny specjalista ds. eksperymentów we FloWave na Uniwersytecie w Edynburgu, powiedział: „Tworzenie złożonych stanów morza w rzeczywistym świecie w skali laboratoryjnej ma kluczowe znaczenie dla misji FloWave. Ta praca przenosi to na nowy poziom, wykorzystując wielokierunkowe możliwości basenu falowego do izolowania tych ważnych zachowań związanych z łamaniem fal”.
Dr Ross Calvert z Uniwersytetu w Edynburgu dodał: „Po raz pierwszy udało nam się zmierzyć wysokość fal z tak dużą rozdzielczością przestrzenną na tak dużym obszarze, co pozwoliło nam znacznie bardziej szczegółowo zrozumieć złożone zachowanie fal. ”
Odniesienie: „Trójwymiarowe łamanie fal” autorstwa ML McAllistera, S. Draycotta, R. Calverta, T. Daveya, F. Diasa i TS van den Bremera, 18 września 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07886-z
Badanie przeprowadziło konsorcjum badawcze, w skład którego wchodzili eksperci z Uniwersytetu w Manchesterze, Uniwersytetu Oksfordzkiego, Uniwersytetu w Edynburgu, University College Dublin, ENS Paris-Saclay i TU Delft.
