Учёным удалось создать оптическую «волну-убийцу» – электромагнитный аналог редчайших океанских волн высотой в десятки метров, наводящих ужас на моряков. Это поможет в проверке теории происхождения таких волн и возможности предсказывать, где и когда они появятся.

Гигантские «волны-убийцы», заинтересовавшие, наконец, естествоиспытателей, искусственно синтезированы в лабораторных условиях. Никому до сих пор не известно, каким именно образом эти громадные волны формируются в океанских водах, однако группе ученых из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Института нелинейной оптики и короткоимпульсной спектроскопии имени Макса Борна в Берлине удалось создать их аналоги в световых колебаниях. Исследователи надеются, что их работа поможет разобраться в природе огромных волн, до сих пор являющихся причиной гибели многих судов.

Изначально научное сообщество не проявляло никакого интереса к «волнам-убийцам», или блуждающим волнам, как их иногда называют. Волны-одиночки высотой в десятки метров оставались лишь предметами моряцких рассказов и мифов. Однако в конце девяностых факт существования гигантских волн был запечатлен на пленку и не раз. Одна из таких волн обрушилась на нефтяную платформу в Северном море в 1995 году, другая была сфотографирована в Бискайском заливе в 1993 году. Позже появилась масса других свидетельств, а в прошлом году появились и первые математические теории образования «девятых валов».

И эти волны продолжают представлять угрозу для морских судов. Так, в 2001 году волна высотой 30 метров накрыла пассажирский лайнер в Южной Атлантике. По оценкам специалистов, за два последних десятилетия жертвами «волн-убийц» стали более 600 человек и около 200 морских судов.

Различные теории образования и распространения гласят, что максимальная высота волн, нагнанных ветром, в земных условиях не может превышать двух десятков метров, однако свидетельства очевидцев сообщают о волнах, высота которых превышала 30 метров. Даже допуская аномальную высоту волн, образующихся в ходе процессов, описанных в теории, эти выкладки предсказывают очень низкую вероятность их образования и уж тем более обнаружения на бескрайних просторах мирового океана.

На самом деле эти волны образуются гораздо чаще, чем ученые могли себе представить.

Несколько лет назад назад научное сообщество заставило-таки Европейский Союз начать межнациональный проект под названием MaxWave, в котором задействовали два европейских спутника, осуществляющих радарную съёмку океанов. Этот проект и был нацелен на поиск гигантских «волн-убийц», в существовании которых уже мало кто сомневался.

Всего за три недели наблюдений в 2004 году участники проекта засекли с десяток бродячих волн высотой не менее 25 метров.

Это, с одной стороны, указывает на отличие механизма образования таких волн от тех, что изучены и описаны, и одновременно ставит ученых в тупик – ни одна теория образования волн-убийц, представленная на сегодняшний день, не в состоянии полностью объяснить частоту и характер этих явлений и остаются недоказанными гипотезами.

Выдвинутые теории ссылаются на интерференцию и агрегирование более мелких морских волн в более крупные, кроме того, существуют предположения о вине необычных подвижек воздушных масс в формировании блуждающих волн.

Одно ученым известно наверняка – «волны-убийцы», распространяясь по водной глади, могут в течение долгого времени сохранять свою форму и размер. Именно поэтому острые пики таких волн при непосредственном наблюдении производят впечатление гигантской водяной стены.

Такое свойство волн-гигантов роднит их с хорошо изученными типами волн, названными солитонами, – одинокими волнами, способными преодолевать большие расстояния без разрушения и изменения своей формы и размера.

Солитоны были впервые обнаружены в XIX веке в одном из шотландских каналов и привлекли к себе немалый интерес. В настоящее время они хорошо изучены и могут быть без труда воспроизведены в лабораторных условиях как в водной среде, так и в виде световых колебаний.

Именно поэтому Дэниел Солли, руководитель работ, и предположил возможность использования технологий создания световых солитонов для генерации световых «волн-убийц».

Процесс создания световых солитонов требует испускания света в виде импульсов в нелинейном оптическом волноводе, форма и частота импульсов света, выходящих из которого, зависят от параметров входящих волн нетривиальным образом. Ученые добавили в исходный сигнал немного шума – случайных импульсов различной продолжительности и амплитуды, предназначенных для создания световых солитонов.

Выходной сигнал, полученный в результате наложения шума на исходный поток световых импульсов, оказался очень насыщенным, состоящим из большого числа световых волн различной длины.

Однако среди этой световой какофонии ученым удалось с легкостью различить чрезвычайно узкие и интенсивные пики, превышающие по этим параметрам даже входные сигналы.

В своей публикации в последнем номере Nature Солли и его коллеги называют эти импульсы не иначе как световые «волны-убийцы», хотя они и безопасны для человека в отличие от своих соленых морских собратьев.

В принципе, эти световые аномалии могут иметь и случайный характер, однако Солли отмечает, что их распределение во времени сильно отличается от статистического. Положение здесь также похоже на ситуацию с океанскими «волнами-убийцами» – стандартные теории образования волн в океане предсказывают их случайное появление, но в среднем лишь один раз в тысячелетие, а не по нескольку штук в неделю. Это несоответствие статистических характеристик, считает Солли, определенно указывает на созидательную роль шумовых сигналов, фокусирующих энергию отдельных импульсов в узкие и крайне интенсивные выбросы света.

По словам руководителя команды специалистов Бахрама Джалали, это первое наблюдение искусственных световых «волн-убийц», и эти волны очень близки по своим свойствам к своим морским аналогам.

Однако ученые не делают аналогичных заявлений относительно механизма формирования этих двух феноменов – они могут в корне различаться. Впрочем, ученые осторожно предполагают, что формирование морских «волн-убийц» также происходит из-за сочетания таких факторов, как небольшое волнение, нелинейность и слабый шумовой сигнал.

Нелинейность распространения морских волн – известный факт, а наличие небольшого шумового сигнала вполне может обеспечить переменчивый морской ветер.

Несмотря на то что «волны-убийцы» исследуются уже довольно давно и интенсивно, новые результаты группы американских и германских ученых могут не только внести вклад в понимание механизмов их образования, но и привести к формированию стройной теории формирования блуждающих волн.

И уж, по крайней мере, у учёных появилась отличная модель для проверки своих теорий образования волн-одиночек. Если учёные научатся прогнозировать появления безобидных оптических гигантских волн, то может быть, дело дойдёт и до океанских. В том, что это необходимо, сомневаться не приходится.

geogr.msu.ru