Nauka jest groźna: wielka fala

Przez sztormowy tydzień w lutym 2000 roku naukowy statek RRS Discovery z ponad czterdziestoma duszami na pokładzie (połowę stanowiła załoga; drugą połowę – naukowcy) zmagał się z wiatrem wiejącym ze średnią prędkością 21 m/s (to jest dziewiąty stopień w dwunastostopniowej skali Beauforta), zaś znajdująca się pokładzie aparatura zarejestrowała fale wielkości blisko 30 metrów. Naomi Holliday, jedno z dwojga naukowych liderów wyprawy, pomiary te początkowo zignorowała jako nieinteresujące: celem ekspedycji nie był pomiar wielkości fal, a wpłynięcie w sztorm i spotkanie z falami tej wielkości było raczej wynikiem przypadku i wielkiego pecha.

Tsunami na rekord

Wielkie fale większości z nas znane są w postaci tsunami: fal portowych. Tsunami są produktem uwolnienia olbrzymiej ilości energii  – wielokrotnie większej niż energia bomb atomowych zrzuconych na Japonię w czasie drugiej wojny światowej. Źródła tej energii mogą być wielorakie: może to być trzęsienie ziemi, podwodna erupcja wulkaniczna, osuwisko skalne (ten ostatni przykład powinien Wam przypomnieć o tsunami na Jeziorze Genewskim, które opisywałem w październiku zeszłego roku).

Największe znane z bliższej i dalszej historii fale, to właśnie tsunami; nie bez powodu – sposób, w jaki dochodzi do zwielokrotnienia amplitudy fali związany jest ze zmniejszającą się głębokością przy wybrzeżach. Powstawanie gigantycznych fal na środku oceanów jest nieco większą zagadką. Czasem da się je wytłumaczyć obecnością podwodnych gór, zazwyczaj jednak trudno dokładnie ocenić, skąd się wzięły. I chociaż fale nie-przybrzeżne mają raczej małe szanse na osiągnięcie rozmiarów tsunami, nie zmienia to faktu, że potwór wielkości 30 metrów może nie tylko zaskoczyć załogę, zmyć z pokładu pasażera czy elementy wyposażenia, ale nawet łamać i zatapiać tankowce, w pył obracać teoretycznie na atak fal przygotowane platformy wiertnicze.

Żeby wielkie fale umieścić we właściwej perspektywie, rzućmy okiem na kilka nieodległych przypadków. Tsunami, które uderzyło w Japonię w 2011, doprowadzając do awarii reaktora atomowego w Fukushimie, miało w porywach do 37 metrów. Tsunami, które w 2004 roku zabiło w Indonezji i okolicach ćwierć miliona ludzi, miało w porywach metrów 30. To odpowiednik dziesięciopiętrowego bloku.

Pamięć ludzka krótka jednak jest, a liczby te bledną w porównaniu z megatsunami w Sprint Lake po wybuchu Góry Świętej Heleny 18 maja 1980 roku. Osuwisko wynikające z zapadnięcia się tej góry do pobliskiego jeziora wywołało falę, która sięgnęła 260 metrów powyżej poziomu jeziora sprzed wybuchu! W Wielkiej Brytanii jest obecnie tylko jeden budek wyższy niż ta fala (tzw. The Shard), w Polsce nie ma zaś ani jednego (najwyżej sięga iglica Pałacu Kultury, która kończy się w okolicach 237 metra nad ziemią). Także ćwierć kilometra wysokości osiągnęła fala wytworzona przez osuwisko skalne w zbiorniku wodnym stworzonym przez zaporę Vajont we Włoszech. Fala była na tyle duża (nie ukrywajmy – ćwierć kilometra? Gargantuiczna!), że 50 milionów ton wody przelało się ponad tamą zalewając liczne wsie w poniższej dolinie. Szacuje się, że zginęło wówczas około ćwierć tysiąca osób.

Prawdopodobnie największym tsunami w historii nowożytnej była fala, która uderzyła wybrzeże Lituya Bay na Alasce dziewiątego lipca 1958 roku. Uskok Fairweather, który wyznacza południowe wybrzeże Alaski, został uderzony przez trzęsienie ziemi o sile 7.9 w skali Richtera (dla porównania: w historii nowożytnej żadne trzęsienie ziemi w Kalifornii nie sięgnęło takiej siły). Trzęsienie wywołało osunięcie się 30 milionów metrów sześciennych skał i lodu do ujścia zatoki, wywołując falę, która w swym najwyższym punkcie mierzyła 524 metry. Zrządzeniem nie wiem jakiego losu jest to, że po pierwsze w zatoce przebywało bardzo niewiele osób (to może aż takim zaskoczeniem nie jest – alaskańskie ostępy nie są specjalnie zaludnione), a po drugie, że ostatecznie było tylko pięć ofiar śmiertelnych, a także że zachowały się opisy naocznych świadków.

Oczywiście takie megatsunami zdarzają się rzadko, bo spełnionych musi być wiele warunków geologicznych, a do tego dojść musi do sprzyjającego wydarzeniu zbiegowi okoliczności. Lituya Bay, przez wzgląd na swoje położenie i ukształtowanie terenu, jest niezwykle narażona na atak wielkich fal: szacuje się, że w ciągu ostatnich 150 lat megatsunami zdarzało się tam pięciokrotnie (czyli kolejne jest już o parę lat spóźnione).

Mylny model

Kiedy Holliday i jej koledzy walczyli o życie na pokładzie RRS Discovery (czy też raczej o ich życie walczył kapitan Avery – badacze prawdopodobnie starali się nie zapaskudzić wszystkiego w kabinach chorobą morską), nie byli zainteresowani wielkimi falami. Co więcej, pomimo tego, że wielkie fale pojawiające się nieco znienacka na środku oceany odpowiadają za większość znikających bez śladu okrętów, do niedawna nie było na świecie nikogo, kto studiowałby jej bardziej dogłębnie – a najbardziej zainteresowani tematem byli nie badacze, ale przedstawiciele firm ubezpieczeniowych oraz firm ratujących statki.

Ta sytuacja zaczęła zmieniać się powoli około dekady temu, i być może jakaś niewinna publikacja albo – co bardziej prawdopodobne – doniesienie prasowe o surferze mierzącym się z największą falą świata (czy coś w ten deseń), pchnęło Holliday do przyjrzenia się jeszcze raz danym zebranym w czasie feralnego rejsu. Problem bowiem nie polegał na tym, że zła pogoda nie została przewidziana. O nie; stosowane przez badaczy modele meteorologiczne przewidziały silne wiatry, a także ich kierunek. Przewidziały wysokość większości fal.

Problemem było jednak to, że wiele z tych fal nie było takie, jak większość: modele przewidywały w tych warunkach pogodowych fale wysokości 13-14 metrów. Fale, które niemal zatopiły jednostkę (nie stało się tak tylko dzięki doświadczeniu i zimnej krwi jej kapitana), miały natomiast średnio blisko 20 metrów, zaś największa z nich – prawie trzydzieści.

Mierzenie tego typu fal jest oczywiście niezwykle kłopotliwe: można próbować czynić to za pomocą sond pomiarowych, te jednak znajdują się zazwyczaj przy brzegu. Ponadto przestwór oceany ogromny jest i marna szansa, by kiedykolwiek udało nam pokryć się go bojami w sposób pozwalający na jakiekolwiek sensowne pomiary. Dlatego prawdopodobnie najlepszą metodą jest wpłynięcie w zagrożony obszar statkiem zawierającym instrumenty pomiarowe. Aby to jednak uczynić, trzeba by nie mieć szóstej klepki (pamiętajcie, że RRS Discovery nie znalazł się w środku sztormu specjalnie). Co nam pozostaje bez bezpośrednich pomiarów? Modele, modele, modele.

Które, jak zauważyła Holliday, wyraźnie nie przystają do rzeczywistości, co oznacza, że zaczynamy tutaj wkraczać w obszar fantazji; w obszar fizyki nieliniowej tak koszmarnie skomplikowanej, że głowa boli już od samego o tym myślenia.

Wariactwo na wielkiej fali

Niektórzy Czytelnicy będą oczywiście świadomi tego, że są na świecie ludzie wystarczająco ambitni, zdeterminowani (i po prostu zdrowo szurnięci), aby porwać się na wielkie fale z niczym więcej niż drewnianą dechą. Surferów, którzy potrafią poradzić sobie – czyli po pierwsze utrzymać się na fali, a po drugie przeżyć upadek, który nieuchronnie się im w końcu przytrafi – z falami powyżej 25 metrów, można zapewne policzyć na palcach jednej ręki. Góra dwóch. Samo surfowanie w takich warunkach to już zupełnie inna para kaloszy niż zwykłe pedałowanie nad Bałtykiem – surferzy na falę wciągani są przez partnerów na wodnych skuterach, ponieważ sami nie byliby w stanie osiągnąć prędkości pozwalającej im na atak na falę. Już samo to powinno dać Wam wyobrażenie, jak bardzo podniesiona jest tutaj poprzeczka. Do niedawna rzesze surfujących, mniej lub bardziej doświadczonych, fanatyków przemierzały glob wszem i wobec w poszukiwaniu fali wielkości 100 stóp – magicznego progu, które oficjalnie nigdy nie osiągnięto, a wielu z tych, co próbowali, przypłaciło to w najlepszych wypadku ciężkimi kontuzjami.

To uległo zmianie w roku 2011. Hawajczyk Garrett McNamara popłynął na stustopowej fali w Portugalii, prawdopodobnie kończąc przynajmniej jeden wyścig, który nie prowadził do niczego dobrego (jako notę na marginesie dodam, że rekord ten został prawdopodobnie pobity – i to kilkakrotnie – kilka lat wcześniej. Nie przetrwały jednak żadne zdjęcia, które mogły by tego dowieść, chociaż nie ma powodów, by nie wierzyć naocznym świadkom).

McNamara hulający na stustopowej fali/źródło: BBC

Dzię-ku-je-my!

Większość osób, które regularnie czytują ten czy inny żurnal naukowy, musiała spotkać się z mniej lub bardziej dziwaczną lub zabawną sekcją z podziękowaniami: jak ta, którą Leigh Van Valen, jeden z najsłynniejszych obecnie biologów ewolucyjnych i jeden z ojców hipotezy Czerwonej Królowej, umieścił w swojej pracy na temat tejże hipotezy, dziękując National Science Foundation (odpowiednik naszego NCBiR) za nieprzedłużenie jego grantu na badania nad prawdziwymi organizmami – co zmusiło go na przeniesienie się w rejony biologii teoretycznej (i wyraźnie tylko wyszło mu na zdrowie).

Praca Naomi Holliday, opublikowana w piśmie Geophys Physical Letters w 2005 roku, jest jednak jedyna w swoim rodzaju. W podziękowaniach autorzy piszą:

„Autorzy pragną podziękować całej załodze statku RRS Discovery biorącej udział w rejsie 245, która wraz z nami przetrwała okropne warunki podróży. Jesteśmy ponadprzeciętnie wdzięczni kapitanowi Keithowi Avery’emu oraz obsłudze statku za to, że dowieźli nas wszystkich bezpiecznie do domu.”

Przypisy:

1. Holliday, N., Yelland, M., Pascal, R., Swail, V., Taylor, P., Griffiths, C., & Kent, E. (2006). Were extreme waves in the Rockall Trough the largest ever recorded? Geophysical Research Letters, 33 (5) DOI: 10.1029/2005GL025238

2. A pracę możecie też znaleźć w chmurze tutaj.

3. Wielką inspiracją do napisania tego wpisu była znakomita książka Susan Casey „The Wave: In Pursuit of the Rogues, Freaks, and Giants of the Ocean„, którą gorąco polecam.