Store bølger i havet

Fysiker jagar havets monster vågor

Nya matematiska modeller visar att jättevågor får liv genom att stjäla energi från andra vågor. Nu har meteorologerna lyckats ta fram avancerade vågprognoser som kan guida fartyg runt särskilt farliga havsområden.

19 maj 2016 av Niels Hansen

Tisdagen den 8 februari år 2000, strax efter midnatt, reste sig en drygt 30 meter hög monstervåg ur den iskalla Nordatlanten. Från bryggan på det 90 meter långa forskningsfartyget RRS Discovery såg kaptenen Keith Avery hur den hotande vågen närmade sig snabbt. Han visste att vågen skulle få fartyget att kantra om den träffade skrovet från sidan. Han hann precis rätta upp fartyget mot muren av vatten innan vågen slog in över fartyget. Strax därpå var vågen borta, och Avery insåg att han hade räddat sig själv och de 47 forskarna ombord. Så beskrivs RRS Discoverys dramatiska möte med en monstervåg i boken ”The Wave”. Havets monstervågor är beryktade för att kunna bryta enorma fraktfartyg mitt itu och dränka fartygens besättningar. Men nu kan forskarna äntligen förutsäga var monstervågor uppstår.

Teori om ljus gav aha-upplevelse Tills helt nyligen visste fysikerna inte hur så stora vågor kan födas ur mindre vågor. Monstervågor är minst dubbelt så höga som andra vågor och innehåller enorma mängder energi. De största blir över 40 meter – högre än ett tiovåningshus. Med hjälp av klassisk matematik och fysik hade forskare i flera år försökt skapa modeller för hur vågorna föds i havet, dock förgäves. Modellerna kunde inte förklara hur energi kan samlas i en jättestor våg, eftersom energin vill fördela sig enligt den klassiska vågteorin. Man kom då på att lösningen skulle kunna finnas i kvantmekaniken – i den så kallade icke-linjära Schrödingerekvationen, som bland annat beskriver spridningen av laserljuset i optiska fibrer. Laserljus avges i små portioner, kvanta, och energin från dessa byggs upp till en enorm vågtopp om vågornas frekvenser är olika. Kvanta slås ihop och energin samlas i den första vågen.

Instabilitet skapar monstervågor Första gången en monstervåg togs på bar gärning var 1995, och sedan dess har fysikerna använt Schrödingers ickelinjära ekvation för att skapa modeller som kan återge monstervågornas natur. Modellerna måste kunna hantera den slags instabilitet som vågor får när vind och ström sliter i dem. Energin i vågorna fokuseras i en enda våg som under loppet av bara några minuter på grannvågornas bekostnad förvandlas från en vanlig våg till en jätte. I enorma vattentankar och bassänger simulerade forskarna utbredningen av vågorna och matade in data om hur vattnet betedde sig i datormodeller, så att de kunde simulera ett hav. Resultaten visade att monstervågor uppstår i världshaven om och om igen. De föds utifrån mikroskopiska störningar från exempelvis havsströmmar, turbulens i luften eller vindbyar, som påverkar vissa vågor mer än andra och skapar instabilitet. Monstervågorna är kortlivade, men deras antal är mycket större än vad forskarna tidigare trott.

Kannibalvågor slukar varandra Forskarna vet nu att monstervågor är ”kannibaler” – de tar energi från grannvågor och använder den för att växa sig stora. En 25 meter hög våg kräver till exempel energi från 18 stycken tiometersvågor. Även om fysikerna förstår monstervågornas natur och vet hur de uppstår, kan den kvantmekaniska förklaringen inte utan vidare användas för att beräkna exakt var nästa gigantiska våg kommer att slå till. Jakten på den enskilda monstervågen är en närmast omöjlig uppgift, eftersom beräkningarna är för krävande för våra datorer. Därför har meteorologerna angripit uppgiften på ett annat sätt. De använder sig av insamlade data från världshaven till att beräkna och förutsäga hur stor risken för monstervågor är i ett visst område vid en viss tidpunkt. Metoden liknar den som meteorologer använder för att ta fram skyfalls- och tornadovarningar. I arbetet med modellen delar man in havsytan i celler om cirka 25 kvadratkilometer. I varje cell beräknar man vågornas höjd, längd och riktning baserat på uppgifter om vädret och parametrar som vattentemperatur och havsdjup. Med hjälp av all data om de vanliga vågorna räknar datorn ut ett så kallat Benjamin- Feir-index, BFI, för samtliga celler. Genom att jämföra förhållandet mellan hur branta vågorna är i genomsnitt och variationen i deras frekvens talar indexet om var monstervågor troligen kommer att bildas. Indexet förutsäger alltså graden av instabilitet och kaos på havsytan. Ju större instabilitet och ju mer kaos som råder, desto fler monstervågor bildas.

Prognoser förutsäger risk Benjamin-Feir-indexet ger en god indikation om vilka områden av havet som sjökaptenerna bör undvika. Den gemensamma europeiska meteorologiska datorcentralen i Reading, England, har lagt in monstervågsindexet i en havsmodell för att kunna förvarna om risker för monstervågor. Beräkningen av indexet kräver dock enormt stor datorkapacitet, om prognosen ska hinna bli klar i tid för att man ska kunna omdirigera fartyg. I takt med att datorerna blir snabbare kan meteorologerna emellertid mata in fler uppgifter i modellen och minska cellernas storlek, så att prognoserna därigenom blir mer exakta. 2016 hoppas man kunna kombinera strömmodeller med havsmodellen för att öka precisionen i indexet. I dag ingår data om havsströmmar inte som en del av informationen som matas in i havs-modellen, men just strömmar har stor betydelse för monstervågornas bildning – speciellt i områden där stark ström och stora vågor möts och ger näring åt dem. Fenomenet ses till exempel utanför sydöstligaste Afrika, där en stark, sydgående ström möter vågor från Antarktis. Samma sak händer utanför Floridas östkust, där Golfströmmen bär största skulden för monstervågor i det havsområde som kallas Bermudatriangeln.

Läs också

PRENUMERERA PÅ ILLUSTRERAD VETENSKAPS NYHETSBREV

Du kan ladda ned ditt gratis specialnummer, Vår extrema hjärna, så snart du har beställt vårt nyhetsbrev.

Kanske är du intresserad av...

Hittade du inte vad du söker? Sök här: