Волны отдают энергию в атмосферу

Обычно морские волны не разбиваются до тех пор, пока не достигнут берега. Лишь при сильном ветре во время шторма такой процесс, сопровождающийся появлением на волнах так называемых барашков характерного белого цвета, может происходить и в открытом море. Однако даже при отсутствии такого ветра разрушение гармонической волны возможно за счёт модуляционной неустойчивости.

Что это за зверь? В начале развития неустойчивости волна разбивается на отдельные волновые пакеты. В силу некоей сколь угодно малой случайности в стартовых условиях они имеют различную энергию, то есть благодаря нелинейности располагают чуть разной групповой скоростью распространения. Пакеты с меньшей скоростью поглощают энергию сталкивающихся с ними более быстрых пакетов, что приводит к систематическому нарастанию их энергии. Ну а последнее вызывает дальнейшее замедление такого пакета, и это повышает частоту коллизий с быстрыми пакетами. И так далее, пока энергия пакета не достигнет максимума, а скорость не упадёт до минимума. Хотя понятие модуляционной неустойчивости было разработано не для морских волн, в целом ситуация там такая же: 1–3% волн из-за описанного процесса постоянно разбиваются в море (барашек).

Куда девается энергия волны, когда она разбивается? Вопрос не праздный: единичная волна может иметь киловатты энергии, и когда на её поверхности появляется белый барашек, эта силища как будто испаряется. Годами ответ на этот вопрос казался очевидным: энергия возвращается в море. Чтобы обсчитать этот процесс, использовалось нелинейное уравнение Шрёдингера. Увы, оно требовало принятия нескольких допущений: к примеру, вязкость воды условно приравнивалась к нулю (игнорируется), то же самое с формированием водоворотов. Кроме того (не смейтесь), считалось, что между водой и воздухом при исчезновении волны ничего не происходит. Понятно, что таким образом можно было получить только решения, в которых волновая энергия воздуху не передавалась вовсе.

Чтобы слегка приблизить процесс к реальному миру, физики применили уравнения Навье — Стокса. Эта система принимает во внимание все опущенные нелинейным уравнением Шрёдингера «детали» и оттого требует для обсчёта отдельных процессов не минут машинного времени, а недель. Причём на одну-единственную симуляцию разрушения волны при потере ею скорости.

Усилия «моделистов» были вознаграждены сторицей. Оказалось, что прямо перед своим разрушением волна набирает скорость — и её гребень становится острым, а затем обрывается, формируя за собой вихрь: как в чашке, когда вы слишком сильно размешиваете сахар ложкой. Как только вихрь касается поверхности воды, он порождает вращающийся в обратном направлении противоположный вихрь. Внутри этой вихревой пары замкнут воздух, который затем вместе с вихрями поднимается в атмосферу, унося бóльшую часть энергии волны.

Да-да, вы не ослышались: основная часть — а если быть точным, три четверти энергии такой волны-с-барашком — уходит не в воду, которой достаётся всего четверть, а в воздух! Учитывая, что энергия такой волны много больше средней (благо волны с барашками как раз заимствуют свою энергию у «середняков»), речь можно вести о киловаттах с каждой волны. В глобальном же масштабе — давайте-ка посчитаем количество волн в Мировом океане — перед нами один из крупнейших энергоисточников, подпитывающих атмосферные процессы. А ведь когда-то в детстве нам рассказывали, что именно атмосферные процессы являются основным источником волн...

Последовательность формирования пары вихрей в воздухе над волной (иллюстрация A. Iafrati et al.).

Фактически же гидросфера, напротив, сбрасывает избытки энергии в воздушный океан. Один из авторов исследования, Александер Бабанин из Суинбёрнского технологического университета (Австралия), подчеркивает: «Последствия взаимодействия между водой и воздухом в том же климатическом и погодном моделировании весьма значимы, но крупномасштабные симуляции такого рода вообще не отображают волн». Вместо этого для определения взаимодействия гидро- и атмосферы используют скорость ветра. Но это может внести ошибки на «сотни процентов», уверен учёный. Само собой, в итоге не учитывается огромная энергия, коей атмосферная динамика обязана процессу разрушения волн. Естественно, такие модели нередко не в состоянии обеспечить не только конкретное эффективное предсказание массы климатических процессов, но даже и общее понимание деталей.

Авторы работы провели эксперимент в лабораторных условиях и, применив цветные частицы, окрашивающие дым над небольшими волнами, действительно зарегистрировали предсказанный расчётом вихрь (описывающая опыт публикация готовится к печати). Тем не менее, несмотря даже на опытное подтверждение, прямо сейчас понимания этого механизма недостаточно для усовершенствования текущих климатических моделей, создававшихся годами и десятилетиями. Понадобится множество дополнительных усилий по отработке симуляции массовых процессов такого рода, протекающих в морях и океанах. Но теперь мы хотя бы знаем, что Земля климатически куда сложнее, чем принято думать, а понимание собственного незнания, как бы это банально ни звучало, — совершенно необходимый шаг на пути к знанию.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.