Ekstremalna fala na Pacyfiku. Naukowcy zaskoczeni rozmiarami “potwora”

Pod koniec 2020 roku specjalna boja pomiarowa, należąca do instytutu badawczego MarineLabs, zanotowała niesamowity wzrost poziomu wody u wybrzeży Kolumbii Brytyjskiej. W pewnym momencie fala podniosła przyrząd na wysokość aż 17,6 metra, czyli mniej więcej na poziom czwartego piętra. Opublikowane właśnie przez naukowców badanie wskazuje, że ta fala była niemal trzykrotnie wyższa od wszystkich fal znajdujących się wówczas w okolicy.

Zgodnie z definicją, za „falę wyjątkową” lub “monstrualną” uznaje się falę przekraczającą co najmniej dwukrotnie wysokość otaczającego ją stanu morza. W tym przypadku jednak różnica była jeszcze większa. „Proporcjonalnie, fala z Ucluelet jest prawdopodobnie najbardziej ekstremalną zaobserwowaną falą wyjątkową” – stwierdził fizyk Johannes Gemmrich z Uniwersytetu w Victorii. Do tej pory w światowej literaturze naukowej odnotowano raptem kilka podobnych zdarzeń na pełnym morzu, ale żadne nie osiągnęło tak wielkiej dysproporcji wysokości.

Niezwykłe zjawisko, które samo w sobie stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa morskiego, przyciągnęło uwagę ekspertów z MarineLabs. – „Naszym celem jest poprawa bezpieczeństwa i podejmowania decyzji kluczowych dla operacji morskich oraz dobra społeczności przybrzeżnych, poprzez pomiary linii brzegowych” – komentował Scott Beatty, dyrektor generalny instytutu. „Uchwycenie takiej fali, która zdarza się raz na tysiąc lat, i to w naszym bezpośrednim sąsiedztwie pokazuje, jak wielką moc mają dane w kwestii morskiego bezpieczeństwa”.

Przez stulecia fale-odmieńce uchodziły za morską legendę, powtarzaną głównie w opowieściach żeglarzy. Dopiero w 1995 roku zaczęto oficjalnie potwierdzać ich realne istnienie. Co więcej, choć powszechnie kojarzy się je z dalekim oceanem, naukowcy rejestrują je także na dużych jeziorach. Procesy fizyczne stojące za powstawaniem takich kolosów wciąż nie są w pełni zrozumiałe.

W XIX wieku francuski oficer i podróżnik Jules Dumont d’Urville, który widywał w trakcie swoich ekspedycji fale o wysokości ponad 30 metrów, był publicznie wyśmiewany. Ówczesne modele fizyczne uznawały takie zjawiska za niemożliwe. Przełom nastąpił wraz z rozwojem technologii pomiarowych i udoskonaleniem metod obserwacyjnych: coraz powszechniej stosowano boje, radary oraz satelity zdolne do rejestracji zmian poziomu wody. Dzięki temu systematycznie przybywało dowodów, że fale mogą przybierać nagle imponujące rozmiary, niekiedy pochłaniając statki i niszcząc instalacje morskie. Badacze tacy jak Laurence Draper już w latach 60. XX wieku zwracali uwagę na dane wskazujące, że wysokości fal przekraczające 20 metrów wcale nie muszą być rzadkością.

Za symboliczny moment przełomu uchodzi dzień 1 stycznia 1995 roku, kiedy to platforma wiertnicza Draupner, położona około 160 kilometrów od brzegu Norwegii, zarejestrowała wysokość fali wynoszącą 25,6 metra. Wynik całkowicie przeczył ówczesnym modelom oceanograficznym. Wcześniej środowisko naukowe nie dowierzało relacjom, według których zdarzały się fale sięgające nawet 30 metrów, przyjmując je za morskie mity lub przesadę.

Potwierdzone dane z Draupnera wywołały wtedy niemałą sensację. Jak się okazało, wartości pomiarowe znacząco odbiegały od wszelkich uśrednień teoretycznych. W ciągu kolejnych lat pojawiały się kolejne obserwacje — w tym nawet na wodach śródlądowych — które udowodniły, że fale monstrualne nie są wcale tak rzadkie, jak dotąd przyjmowano. Zdarzają się w różnych częściach świata, choć często przez swoją nieprzewidywalność pozostają niedostrzeżone.

Współczesne badania z wykorzystaniem modeli numerycznych i obserwacji satelitarnych potwierdzają, że fale mogą przybierać wysokość nawet czterokrotnie większą od wcześniejszych założeń. Jak podkreśla inżynier Mark McAllister z Uniwersytetu Oksfordzkiego, zastosowanie zaawansowanych narzędzi do symulacji oraz pomiarów laboratoryjnych ujawniło istnienie złożonych fal o dużej tzw. rozbieżności kierunkowej, które mogą rosnąć dalej nawet po rozpoczęciu załamywania się grzbietu.

W 2020 roku zespół naukowców z Kanady, Australii i Europy opublikował w czasopiśmie Science Advances prognozy wzrostu średnich wysokości fal w rejonie Pacyfiku w XXI wieku. Na podstawie analizy szeregu modeli klimatycznych wskazano, że do 2100 roku ekstremalne zjawiska — w tym fale-odmieńce — mogą występować tam częściej i osiągać większą amplitudę, zwłaszcza na wysokich szerokościach geograficznych.

Przewiduje się, że globalne ocieplenie będzie wpływało na zmiany prędkości wiatru oraz jego kierunków, sprzyjając formowaniu się kolejnych ekstremalnych zjawisk. Rozwijane modele pozwalają lepiej oszacować skalę potencjalnych zagrożeń, natomiast konieczne są coraz lepsze narzędzia detekcji. W tym kontekście dużą rolę odgrywa np. unikalny basen testowy FloWave Ocean Energy Research Facility w Edynburgu, gdzie naukowcy prowadzą symulacje wielokierunkowych fal i weryfikują, jak powstają ich ekstremalne formy.

Niektóre badania sugerują również, że w obliczu dalszego ocieplania klimatu może rosnąć odsetek fal ponadprzeciętnie wysokich. Zwiększona energia wiatru i częstsze zmiany kierunku mogą wywoływać większe spiętrzenia. W sytuacjach, gdy wiele fal biegnie z różnych kierunków i nakłada się w jednym obszarze, dochodzi do efektu skupiania. Wyniki eksperymentów pokazują, że takie zjawisko potrafi wygenerować falę znacznie wyższą od standardowego limitu załamania grzbietu.

„Gdy klasyczna fala zaczyna się załamywać, pojawia się biała grzywa i fala słabnie. Jednak przy dużej rozbieżności kierunkowej fala wciąż może się powiększać nawet po załamaniu” – wyjaśnia Ton van den Bremer z Politechniki w Delft. Wnioski te płyną z badań nad tzw. falami stacjonarnymi, które tworzą się przy nagłym zbiegu fal z odmiennych kierunków. W pewnych warunkach jednostkowa fala może przejąć energię sąsiadujących grzbietów, rosnąc do nieprzewidywalnych rozmiarów.

Fale wyjątkowe stanowią poważne niebezpieczeństwo dla morskiej infrastruktury, w tym farm wiatrowych, platform wiertniczych i statków handlowych. Według danych MarineLabs, nawet fale powstające daleko od lądu mogą uderzyć z dużą siłą w instalacje przybrzeżne. Z kolei tam, gdzie do brzegu trafia wyższa fala, może dochodzić do groźnych zalań i podtopień.

Część statków, które zaginęły w tajemniczych okolicznościach w latach 70. XX wieku, mogła paść ofiarą właśnie takich fal. Wskazuje na to charakter zniszczeń znalezionego potem sprzętu ratunkowego czy fragmentów jednostek, wyglądających jak odcięte przez potężne, pionowe uderzenie. Dziś uważa się, że istnieje wiele czynników sprzyjających powstawaniu tego zjawiska, m.in. wzajemne nakładanie się fal płynących z różnych kierunków, gwałtowne zmiany prędkości i kierunku wiatru, czy tzw. efekt skupiania się fal.

Z uwagi na potencjalny wzrost wysokości ekstremalnych fal na skutek zmian klimatycznych, międzynarodowe organizacje morskie oraz inżynierowie infrastruktury przybrzeżnej coraz częściej uwzględniają zaktualizowane modele oceanograficzne w planowaniu oraz budowie instalacji na morzu. Podniesienie zabezpieczeń przed falami sztormowymi staje się koniecznością dla wielu regionów nadbrzeżnych i przemysłu offshore, zwłaszcza w najbardziej narażonych miejscach Pacyfiku oraz północnego Atlantyku.