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海上杀手:“疯狗浪”是怎么“浪”的?

中科院半导体所  · 公众号  ·  · 2020-03-18 18:00

正文


疯狗浪(rogue wave)是一种神秘的巨型海浪,关于这一现象背后的原理,人们提出了两种不同的想法。最近,一个源自概率论的新理论有希望预测出全部疯狗浪。


在很长一段时间里, 疯狗浪 只存在于水手的传说中。直到最近的几十年才有了它们存在的“实锤”。

1978年圣诞节前夕,一艘货船“慕尼黑号”(MS München)在北大西洋遭遇了猛烈的海上风暴。虽然船长无法躲开这一风暴,但预测风浪对这个长261米的货船毫无威胁。午夜时分,慕尼黑号向一艘大型游轮发去一则无线电消息:“旅途愉快,很快就能见面。”仅仅三小时后,无线电讯号就变成了呼救,然后是一片沉寂。这艘西德轮船和船上的28名船员消失了,仅留下了四艘救生艇,三个集装箱和少数漂浮装置。

有一条线索难住了调查者。慕尼黑号上的一艘救生艇,本来是被固定在船边离水面20米的位置,却被一股巨大的力量扯下并冲向船尾。谣言流传,一股巨大的海浪自上而下坠落到甲板上,但如此巨浪在当时是不可想象的。西德海事调查委员会最终宣布“沉船的原因无法解释”。

有一个事实,学者最近几十年才将其记录在案,水手们却已经了然于胸几个世纪了:海洋比我们了解的危险多了。研究者们想要破解有关 疯狗浪 的种种神话传说,他们希望看到的是,海浪高度会像人的身高一样呈正态分布——大部分数据聚集在平均高度附近,几个零散值出现在钟形曲线的细长尾巴上。当然,你可能会发现某个 海浪高度是它临近海浪的两倍 ,但前提是你要观察海面很长时间。

1995年的元旦发生的一件事打破了这一希望,当时 疯狗浪 袭击了挪威北海的Draupner石油装置。该平台配备了指向下方的激光,记录显示,一个高26米的海浪突兀地耸立在海面上,而大多数海浪高度是11.8米:这是一个被高分辨率快照捕捉到的海上巨兽。确凿的证据把海洋神话变成了事实。此后,研究人员确定,仅在20世纪下半叶, 疯狗浪 或许就带走了22艘货船,夺走了500多条生命。

Draupner的巨浪刺激了物理学家,他们立志要搞清楚这些孤独的庞然大物究竟是从何而来。研究者们提出了 两个 主要理论,各自都能描述大的波浪是如何在实验室的水池里形成的。但他们争来争去,还是没法决定在真实的海洋中,究竟哪个理论更重要。

如今,一群应用数学家另辟蹊径,转而研究如何预测结果——他们想发明一种能够预测巨型海浪的设备,例如能够告诉船长“接下来的15分钟内,将会有13%的几率遭遇一个30米高的海浪”。这项工作告诉我们,各种各样的巨型波浪可能具有一个相同的基本特征。

纽约大学库兰特数学学院的应用数学家埃里克·范登·艾恩登(Eric Vanden-Eijnden)帮助建立了统计框架,他说:“你可能觉得,30米高的 疯狗浪 会以许多不同的方式翻涌而起,但答案是否定的。”

波浪叠加


Draupner 疯狗浪 被观测到后,出现了两种有关巨浪如何演化的思想流派。

第一个是最简单的。 首先,两个耸起的浪头以不同的速度向前移动。当一个超过另一个时,两者结合。如果大量波浪恰巧在同一时间重叠起来,就会产生 疯狗浪 ,但是波的组成部分始终独立地起作用。佐治亚理工学院的海洋工程师弗兰西斯科·费德勒(Francesco Fedele)将这种所谓的线性加法机制描述为“与海洋玩骰子”。

海洋学家长期以来一直使用这种方法来计算出现某一高度的波浪的几率,但是这种预测方法仍然存在争议,因为它似乎低估了像Draupner 疯狗浪 这样的怪物出现的可能性。

出现在北卡罗来纳州沿海大西洋中的疯狗浪

有些研究者,比如费德勒,觉得传统的方法可以挽救一下。2016年的一项研究中,他和同事在波浪方程中纳入了尖峰和圆形波谷,而不是将它们全部视为平滑的正弦曲线。他们认为,这样做足以解释所有的海洋波。

然而其他人认为,最极端的波浪的成因没有这么直接。在水槽中,两个长度相仿的波浪并肩而行时,能量会从一个泄漏到另一个。单个波浪会以复杂的非线性方式相互影响,正像海洋学的基本模型——非线性薛定谔方程描述的那样。(它与量子理论的明显联系不是偶然的,毕竟亚原子粒子的行为像波。)在大多数情况下这一方程不可能完美求解,但数值研究表明,当条件合适时,波会自己主动聚集起来。艾恩登说:“他们有密谋着干一票大事的势头。”

但是这种被称为非线性聚焦的效应会是慕尼黑号沉没的罪魁祸首吗?像费德勒这样的线性波支持者认为不是。他们认为,水箱中的波浪是受到局限的,但是大海里的波浪在能够聚集前就已经散开了。其他研究人员说,我们对真正的海洋还不够了解。他们说,某些风可能会创造出类似水槽中的情况,从而使得 疯狗浪 得以发生。

关于疯狗浪的两个观点。


多年来,







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