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標題: 傳說中數十米高「瘋狗浪」的科學根據 [9P] [列印本頁]

作者: goodperson 時間: 2018-3-30 15:41:54 標題: 傳說中數十米高「瘋狗浪」的科學根據 [9P]

傳說中數十米高「瘋狗浪」的科學根據

幾乎垂直而起，高達十層樓的泡沫水牆，砸在舷窗上，淹沒了上層甲板的船艙。三十米高的巨浪驟然湧起，將船隻像軟木瓶塞一樣拋來拋去，片刻之後，一切平複，巨浪退回大洋深處。

幾個世紀以來，水手們傳說著海中一些憑空湧現的巨大"異常湧浪"。由於鮮有確鑿的證據，巨浪的高度在口耳相傳中越傳越神，科學家長期以來把它們視為不足以信的玄虛故事。

約半個世紀前，對異常巨浪的懷疑主義者開始使用科學證據來論證。據當時科學家對異常海浪產生的最合理解釋：每3萬年才可能會出一次30米的大浪，因此關於"異常湧浪"的傳說可與美人魚和海怪一起歸為神話。

然而，我們現在知道湧浪絶非海事神話。

海浪究竟能達多高？

波是一種使兩點之間能量產生移動的擾動。最常見的波發生在水中，但還有很多其他種類的波，例如：不可見的無線電波通過空氣傳播。雖然橫跨大西洋的波浪與電波不同，但它們都遵照相同的原理，並且可用相同的數學公式來描述。

傳說中的異常湧浪高度至少是"有效波高"的兩倍，"有效波高"是指在給定時間段內前三分之一高波浪的平均值。根據衛星測量，異常湧浪不僅存在，而且還頻繁發生。這次懷疑論者是大錯特錯，而久傳的民間神話則證實是確鑿的自然現象。

新的認識使得科學家們又面臨新的難題。鑒於存在的事實，是什麼原因導致異常湧浪？對於航海之人來說，更重要的是它們能被預測嗎？

直到1990年代，科學界關於海浪如何形成的理論深受英國數學家和海洋學家朗特-希金斯（Michael Selwyn Longuet-Higgins）的影響。在1950年代開始出版的著作中，他指出，當兩個或更多波浪相撞時，通過一個稱為"建設性干涉"的過程，會形成更大的波浪。根據"線性迭加"的原理，新波的高度應該只是原波高度的總和。根據這種觀點，只有足夠的波浪聚集在一點，異常湧浪才能形成。

然而在1960年代，證據表明事實可能並不那麼簡單。重要的研究者是在劍橋大學做過淺水長池中的波浪動力學研究的數學家和物理學家本傑明（Thomas Brooke Benjamin）。

本傑明和他的學生費爾（Jim Feir）一起注意到，雖然波可能始於恆定的頻率和波長，但生成後不久就會意外地發生變化。波長較長的會抓住波長較短的。這意味著許多能量最終集中在一個大浪時會瞬間即逝。

起初，本傑明和費爾認為設備存在問題。然而，當他們在倫敦附近的英國國家物理實驗室的更大的儲罐中重覆實驗時，結果是一樣的。而且其他科學家也獲得了同樣的結果。

多年來，大多數科學家認為，這種"本傑明-費爾不穩定性"只發生在人工實驗室生成的同一方向的波浪中。然而面對實踐中的證據，這種假設越來越站不住腳。

即使是"正常"的波浪也可能威力強大

1978年12月12日凌晨3點，大西洋中部一艘名為慕尼黑（München）的德國貨船發出了求救信號。儘管進行了廣泛的搜救，但該船從此消失，27人喪生。一艘救生艇被找回。這艘救生艇原本放在船身吃水線以上66英尺（20米）處，完全沒有曾放落使用過的跡象，但艇身似乎受到了極強的衝擊。

然而，真正導致對異常湧浪的認識徹底改變是1995年元旦下午3時20分，衝擊了挪威海岸卓普尼（Draupner）石油平台的一個巨浪。當時颶風正勁，39英尺（12米）的海浪正衝擊著鑽機。工人們已經被安置在室內。沒有人看到波浪，但是由激光測距儀記錄下來的巨浪，從波谷到波峰高達85英尺（26米），有效波高35.4英尺（10.8米）。根據當時的認識，這種大浪每一萬年才有可能發生一次。

卓普尼巨浪揭開了巨浪科學的新篇章。來自歐盟高浪項目（MAXWAVE）的科學家分析了2003年三周內的30,000張衛星圖像時，發現全球最高的10個大浪達到或超過了25米。

芬蘭阿爾托大學（Aalto University）的夏布布（Amin Chabchoub）說："衛星觀測表明海洋中存在的異常湧浪比線性理論預測的要多得多，這必有其他原因。"

襲擊英國海岸的風暴潮

在過去的20年左右，夏布布等研究人員試圖解釋為什麼異常湧浪超乎預知的如此普遍。正如朗特-希金斯所指，異常湧浪不是線性的，而是非線性系統的一個典型。

非線性方程是輸出變量與輸入變量不成正比的方程。如果波以非線性方式相互作用，則無法通過疊加原高來計算新的波高。相反，一組波中的某一個可能會以吸收其他波的能量而快速高漲。

當物理學家想要研究像原子這樣的微觀系統如何隨時間變化時，他們經常使用一種稱為薛定諤方程（Schrödinger equation）的數學工具。事實證明，某些薛定諤方程的非線性版本可以用來解釋為何異常湧浪能夠形成。其基本理論是，當波浪變得不穩定時，可以通過"竊取"其他波的能量而快速生長。

研究人員已經證明，非線性薛定諤方程可以解釋海浪統計模型如何通過能量聚焦突然增長到極端高度。2016年的一項研究中，夏布布將相同的模型應用於更現實，不規則的海況數據，併發現異常湧浪仍可能發生。

夏布布說："我們現在能在實驗室環境中產生仿真的異常湧浪，條件與海洋類似。如果一個非線性系統能夠產生災難性的異常湧浪，就不應讓海上平台和船舶的設計標凖以線性理論作依據。"

不過並不是每個人都相信夏布布找到了終極答案。

波浪會以吸取其他波能量而高漲

柏林馬克斯·玻恩研究所（Max Born Institute）的光學物理學家斯坦梅耶（Günter Steinmeyer）認為："夏布布檢驗了孤立的波浪，沒有考慮其他波浪的干涉，" 但"很難想像實際在海洋中沒有其他干涉存在。"

相反，斯坦梅耶和他的同事伯克霍爾茲（Simon Birkholz）研究了不同類型的異常湧浪的數據。他們察看了1995年卓普尼石油平台被衝擊前的波浪高度、激光束射入光纜的異常明亮的閃光，以及在離開氣體容器時突然激化的激光束，目的是要弄清異常湧浪究竟是否可以預測。

他們將數據分成了很短的時間段，並尋找臨近部分之間的相關性。換句話說，他們試圖通過觀察前一段時間發生的事情來預測後一段時間內可能發生的事情。然後，他們將這些相關性與他們隨機洗牌時獲得的相關性進行比較。

Birkholz. 2015年發佈的結果令斯坦梅耶和伯克霍爾茲都感到意外。事實證明，與他們的預期相反，這三個系統並不是都可預測的。他們發現大洋異常湧浪在一定程度上是可以預測的：真實時間序列中的相關性比打亂時間序列後的相關性更強。在氣體激光束中觀察到的異常情況也存在可預測性，但不同程度上，光纖電纜中則沒有。

然而，異常巨浪的可預測性沒有為駕船者帶來安全感，他們發現隨著風力的加強自己還得緊張地守望著地平線。

切莫急於海上探險

"原則上異常湧浪可以預測，但估算的可靠預測時間需要幾十秒，最多可能一分鐘，" 斯坦梅耶說："北海風暴中的兩波可能僅相隔10秒。對於想要開發實用預測設備，僅從船舶或石油平台一處收集數據的人來說，這種設備其實早已有之：那就是洞開的舷窗。"

但是，有人相信人們不久就可以預警異常湧浪。

海浪的複雜性是風的作用。雖然海浪起因雜亂，但波浪經常是成組或成堆聚集出現。

2015年，麻省理工學院的薩普斯（Themis Sapsis）和克辛斯（Will Cousins）使用數學模型來展示同一組內的波浪之間如何傳遞能量，這可能解釋形成異常湧浪的原因。

次年，他們使用海洋浮標和數學建模的數據創建了一種計算方法，能夠用來識別可形成異常湧浪的波群。

其他多數預測異常湧浪的方法都模擬水體中所有波浪及其相互作用。這是一個非常複雜和緩慢的過程，需要巨大的運算能力。

相反，薩普斯和克辛斯發現，僅用一組波浪中第一波到最後一波的距離和波包中最高波的高度，就可以凖確地預測可能導致異常湧浪的能量聚集。薩普斯說："可以用一組波來確定哪些波會不穩定，而不是僅關注個別波浪並計算其動態。"

他認為他的方法可以更好預警。薩普斯稱，如果算法與LIDAR掃描數據相結合，這個方法可以在異常湧浪形成之前給船舶和石油平台提供2-3分鐘的預警。

其他研究者則認為強調波浪能夠捕捉其他波浪並竊取其能量——技術上稱為"調製不穩定性"——是另一線索。

葛飾北齋畫筆下的"神奈川大浪"

佐治亞理工學院亞特蘭大分校的費德勒（Francesco Fedele）說："調製不穩定機制只在實驗室水槽中進行過測試，在這種水槽中，能量集中在一個方向上。沒有單向暴風的海洋，實際上海洋的能量可以在廣泛地橫向傳播。"

2016年的一項研究中，費德勒和他的同事們認為，更直接的線性解釋最終可以解釋異常湧浪。他們利用歷史天氣預報數據仿真分別於1995年、2007年和2014年產生的三大異常湧浪卓普尼（Draperner），安卓亞（Andrea）和克拉德（Killard）發生時的能量集散和海面高度。

但只有當仿真不規則形狀的海浪時，他們的模型與測量結果是相符合的。由於重力的作用，與許多模型中使用的完美光滑的波形不同，真正的波浪具有圓形槽和尖峰。費德勒發現，一旦這個因素考慮在內，干涉波的高度可能會增加15-20％。

費德勒說："考慮到波峰和波谷之間缺乏對稱性，並將其添加到建設性干涉這個過程中時，波峰振幅的增強可以預測在海洋中觀測到的事件"。

進而言之，之前對簡單線性干涉產生異常湧浪的機會的估算只是根據短促時間和微小空間的數據，事實上船舶和石油鑽井平台是長時間在水中，並佔用大片面積。美國國家運輸安全委員會發佈的一份2016年報告強調了這一點，該報告由Fedele監督。2015年10月1日，美國貨船埃爾法羅（SS El Faro）下沉，造成33人死亡。費德勒說， "如果正確地考慮了時空效應，就知道該船遭到異常湧浪的可能性就會大很多。"

同在2016年，斯坦梅耶提出線性干涉可以解釋異常湧浪形成的頻率。作為解決的另一種方法，他開發了計算給定位置的海洋表面動力學的複雜性，稱為波浪"有效"數量法。

異常湧浪曾被認為是水手的傳言

"預測個別的異常湧浪事件可能是無望或不實際的，因為它需要太多的數據和計算能力，但是如果我們能做氣象意義上的預測呢？"斯坦梅耶說。"也許我們可以預見，有特定的天氣條件時更容易出現異常湧浪。"

斯坦梅耶的研究小組發現，低氣壓導致收斂風時、不同方向的波浪相互交叉時、風向變化很大時、某些沿海形狀和海底地形一起推波時，有可能發生異常湧浪。結論是，只有當這些因素和其他因素相結合產生10個或更多的有效波時才會發生異常湧浪。

斯坦梅耶不認為除了簡單干涉之外的其他任何因素對於異常湧浪的形成都是必需的，他同意波形起到一定作用。然而，他不同意費德勒的觀點，即峰尖可能會對波高產生重大影響。

"非線性有一定的作用，但是次要的，"他說："主要是海浪不是完美的正弦波，但有更多的尖峰和低谷。然而，我們計算的卓普尼波浪，非線性對波浪高度的影響為幾十厘米。"

通常波浪在進入淺水時才漲高

實際上，斯坦梅耶認為60年前朗特-希金斯說得很對，當時他強調基本線性干涉是大浪、異常湧浪或其他大小海浪成形的驅動因素。但這個結論不是每個人都會同意。

事實上，關於異常湧浪的成因還會長久爭論下去。部分原因是有不同類形的科學家：實驗科學家、理論科學家、光波和流體動力學方面的專家，他們在用各自的方法展開研究，並沒有很好地整合各自採用的方法。因此沒有跡象表明有什麼共識正在形成。

但這是需要解決的重要問題，只有認識這些危及生命的海浪，才能預測到它們。對於坐在孤立的石油鑽井平台或船上，在暴風雨下觀察波浪湧出海面的人們，幾分鐘的預警將會是生死攸關。

英倫網

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