18 Yıllık Araştırma Devasa Dalgaların Nereden Kaynaklandığına Dair Gerçeği Ortaya Çıkardı

Bu gizemli devler kısa ömürlüdür ve genellikle bir dakikadan az sürerler. 65 fit (20 metre) veya daha yüksek bir yüksekliğe ulaşabilirler ve genellikle çevredeki dalgaların yüksekliğinin iki katından fazladır. Bir zamanlar denizcilik efsanesi olan haydut dalgalar, artık dünyanın dört bir yanında gözlemlenmektedir. Çok yüksek ve güçlü oldukları için gemiler ve açık deniz yapıları için tehlike oluşturabilirler.

Haydut dalgaların ne olduğunu ve neden oluştuğunu yeniden düşünmek için uluslararası bir araştırma ekibi kurdum. Nature Scientific Reports dergisinde yayınlanan çalışmamız, bu türdeki en kapsamlı veri setini kullanarak bu okyanus devlerine ışık tutuyor.

Kuzey Denizi'nin ortasındaki Ekofisk petrol platformundan 18 yıl boyunca yapılan yüksek frekanslı lazer ölçümlerini analiz ederek, dev dalgaların sadece olağanüstü olaylar olmadığına dair şaşırtıcı bir sonuca ulaştık. Bunlar, denizin doğa kanunları altında ortaya çıkar. Gizemli değil, biraz basittirler.

 

27.500 deniz durumu

2003 ile 2020 yılları arasında Kuzey Denizi'nin ortasında toplanan yaklaşık 27.500 yarım saatlik dalga kaydı veya deniz durumunu analiz ettik. Her 30 dakikada bir alınan bu kayıtlar, deniz yüzeyinin ortalama deniz seviyesine göre ne kadar yükseldiğini gösteriyor. Bunlar, 2007'deki Andrea dalgası gibi büyük fırtınaları da içeriyor.

Normal koşullar altında, dalgalar deniz yüzeyine esen rüzgardan kaynaklanır. Bu, kahve fincanınıza üflediğinizde yüzeyde küçük dalgalar oluşmasına benzer. Denizde, yeterli zaman ve alan olduğunda, bu dalgalar büyük dalgalara dönüşebilir.

Dalgaların aniden kontrolden çıkıp komşu dalgaların çok üzerine çıkmasına neden olan şeyin ne olduğunu anlamaya odaklandık. Önerilen teorilerden biri, karmaşık matematiksel modellerle açıklanan bir fenomen olan modülasyonel kararsızlığa dayanmaktadır. Çalışmalarım bu teorinin açık denizde dev dalgaların nedenini tam olarak açıklamadığını gösterdiğinden, geçmişte bu modelleri revize ettim.

Dalgalar dar bir kanalda hapsolduğunda, modülasyonel kararsızlık teorisi dalgaların dalgalanma hareketini iyi bir şekilde açıklar. Ancak, gerçek okyanusa baktığınızda bu teori geçerliliğini yitirir. Kuzey Denizi gibi açık ortamlarda dalgalar birçok yönden serbestçe yayılabilir.

Farkı anlamak için, bir futbol maçından sonra stadyumu terk eden bir seyirci kalabalığını hayal edin. Çıkış, yüksek duvarlı uzun ve dar bir koridor ise, insanlar tek bir yönde hareket etmek zorunda kalır. Arkada kalanlar öne doğru itilir ve bazıları diğerlerinin üzerine tırmanarak, sınırlayıcı duvarlar arasında yığılır. Bu felaket niteliğindeki yığılma, sınırlanmalarından kaynaklanan dev dalgalara benzer.

Buna karşılık, stadyumun çıkışı geniş bir alana açılıyorsa, seyirciler her yöne serbestçe dağılabilirler. Birbirlerini itmezler ve yığılmaları önlerler.

Benzer şekilde, araştırmacılar laboratuvarda sınırlı bir kanalda, modülasyonel kararsızlığa uyan dev dalgalar oluşturabilirler. Ancak bir kanalın sınırlaması olmadan, dev dalgalar genellikle bu fizik kurallarına uymazlar veya açık denizde aynı şekilde oluşmazlar.

Ekibimiz, gerçekte neler olup bittiğini anlamak için açık denizi doğrudan incelememiz gerektiğini biliyordu. Ekibimin Kuzey Denizi'nden incelediği gerçek dünya verileri, modülasyonel kararsızlıkla uyuşmuyor; farklı bir hikaye anlatıyor.

 

Denizde kötü bir gün

Bu nadir olayların ardındaki kalıpları ortaya çıkarmak için istatistiksel teknikler kullanarak deniz durumu kayıtlarını analiz ettik. Bulgularımız, modülasyonel kararsızlık yerine, gözlemlenen aşırı dalgaların daha çok yapıcı girişim adı verilen bir süreçle oluştuğunu gösteriyor.

Yapıcı girişim, iki veya daha fazla dalga hizalanıp tek bir büyük dalga haline geldiğinde meydana gelir. Bu etki, deniz dalgalarının doğal asimetrisiyle daha da güçlenir – dalgaların tepeleri genellikle daha düz olan çukurlarından daha keskin ve diktir.

Rogue dalgalar, çok sayıda küçük dalga sıralandığında ve daha dik tepeleri üst üste binmeye başladığında oluşur ve kısa bir süre için çevresinden çok daha yükseğe çıkan tek bir dev dalga oluşturur. Huzurlu bir tekne gezisinin denizde kötü bir güne dönüşmesi için tek gereken, birçok sıradan dalganın bir araya gelip üst üste binmesi anıdır.

Bu dev dalgalar, uzay ve zamanda yarı deterministik bir model izleyerek bir dakikadan daha kısa sürede yükselir ve alçalır. Bu tür bir model tanınabilir ve tekrarlanabilir, ancak rastgelelik unsurları da içerir.

İdealize edilmiş bir okyanusta, bu rastgelelik neredeyse ortadan kalkar ve dev dalgaların neredeyse sonsuz yüksekliklere ulaşmasına izin verir. Ancak, bu dalgalardan birini görmek için sonsuz bir zaman gerekir, çünkü çok sayıda dalganın mükemmel bir şekilde sıralanması gerekir. Şans tanrıçası Fortuna'nın bir trilyon zar atmasını ve neredeyse hepsinin aynı sayıya gelmesini beklemek gibi.

Gerçek okyanusta, doğa dalga kırılması sayesinde dev dalgaların ne kadar büyüyebileceğini sınırlar. Dalga yükseklik ve enerji olarak yükselirken, geri dönüşü olmayan belirli bir noktayı geçemez. Dalganın ucu taşar ve köpük veya beyaz başlık haline gelerek fazla enerjiyi serbest bırakır.

 

Dev dalgaların arkasındaki yarı deterministik model

Dev dalgalar denizle sınırlı değildir. Yapıcı girişim birçok dalga türünde meydana gelebilir. Oşinograf Paolo Boccotti tarafından geliştirilen dalgaların yarı determinizmi adlı genel teori, hem okyanusta hem de diğer dalga sistemlerinde dev dalgaların nasıl oluştuğunu açıklar.

Örneğin, sınırlı bir kanaldan akan türbülanslı su için, dev dalga, girdaplarda yoğun, kısa süreli bir artış şeklinde ortaya çıkar – suda dönen girdaplar, akıntı yönünde ilerledikçe anlık olarak büyürler.

Okyanus dalgaları öngörülemez görünse de, Boccotti'nin teorisi, aşırı dalgaların tamamen rastgele olmadığını gösterir. Gerçekten büyük bir dalga oluştuğunda, etrafındaki deniz dalgaları, yapıcı girişim yoluyla oluşan tanınabilir bir model izler.

Boccotti'nin teorisini, ölçülen Kuzey Denizi dalga kayıtlarında bu kalıpları tanımlamak ve karakterize etmek için uyguladık.

Bu kayıtlarda gözlemlenen dev dalgalar, bir dalga grubu şeklinde bir tür imza veya parmak izi taşır ve bu, dev dalganın nasıl oluştuğunu ortaya çıkarabilir. Dalga grubunu, birlikte hareket eden küçük bir dalga paketi gibi düşünün. Yapıcı girişim yoluyla yükselir, zirveye ulaşır ve sonra kaybolurlar. Bu dalga gruplarını izlemek, araştırmacıların dev dalga olayının gelişimi hakkında daha geniş bir resim elde etmelerini sağlar.

Örneğin, 24 Kasım 2023'te Kuzey Denizi'ni güçlü bir fırtına vurdu. Ekofisk platformundaki bir kamera, 55 fit (17 metre) yüksekliğinde dev bir dalga kaydetti. Bu aşırı dalganın kökenini araştırmak için yarı determinizm teorisini ve bir yapay zeka modelini uyguladım.

Analizim, bu olağanüstü olayın yarı belirleyicilik ve yapıcı girişim teorilerini takip ettiğini ve birden fazla küçük dalganın tekrar tekrar üst üste binmesiyle oluştuğunu ortaya koydu.

Olağanüstü dalgaların nasıl oluştuğunu anlamak, mühendislerin ve tasarımcıların daha güvenli gemiler ve açık deniz platformları inşa etmelerine ve riskleri daha iyi tahmin etmelerine yardımcı olabilir.

Francesco Fedele, Georgia Teknoloji Enstitüsü İnşaat ve Çevre Mühendisliği Doçenti

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.