Jak się rodzą gigantyczne fale na oceanie

Tuż po Bożym Narodzeniu, 27 grudnia 2016 roku o godzinie 7.03, Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej wydał ostrzeżenie meteorologiczne nr 112, które obowiązywało od godz. 11.00 do godz. 22.00. IMiGW ostrzegał przed opadami deszczu, śniegu, ale przede wszystkim przed wiatrem, którego prędkość w porywach będzie dochodziła do 120 km na godzinę. Prognoza się sprawdziła, strażacy w całej Polsce wyjeżdżali do usuwania skutków wichury prawie 900 razy. Orkan Barbara – bo tak ochrzcili go meteorolodzy – łamał gałęzie drzew, uszkadzał dachy, stacje transformatorowe i samochody, zrywał linie energetyczne. W naszym kraju największe szkody wyrządził najbliżej morza.

Nad Bałtyk nadciągnął znad oceanu. Tym razem rybacy i marynarze nie dali się zaskoczyć, szaleństwo przyrody nie doprowadziło do morskich tragedii. A jednak ten orkan przejdzie do historii, ponieważ podczas trwania tego zjawiska na północnym Atlantyku zarejestrowano najwyższą na świecie falę. W rejonie Islandii pomiaru dokonała automatyczna boja. Fala osiągnęła wysokość 19 m przy wietrze wiejącym z prędkością 43,8 węzła (81,1 km/h).

Księga rekordów

Pierwszy raz od kiedy prowadzone są systematyczne pomiary wysokość fali przekroczyła 19 m. Pokazuje to, jak bardzo potrzebne jest prowadzenie oceanicznych obserwacji i wydawanie prognoz meteorologicznych dla całego sektora przemysłu morskiego, załóg statków, pasażerów promów na uczęszczanych morskich szlakach – powiedział Zhang Wenjian z Międzynarodowej Organizacji Meteorologicznej IMO (International Meteorological Organization), która oficjalnie zatwierdza tego rodzaju rekordy. Korzysta z rozległej sieci obserwatoriów rozmieszczonych wokół globu oraz z całego systemu boi zakotwiczonych na różnych akwenach i dryfujących swobodnie.

Archiwum IMO gromadzi dane o ekstremalnych zjawiskach pogodowych. Rok po roku rejestrowane są minimalne i maksymalne temperatury na całym globie, najintensywniejsze opady śniegu, gradu, deszczu, najdłuższe regionalne okresy suszy. Na przykład w 2016 roku IMO zatwierdziło światowy rekord długości błyskawicy – 321 km w stanie Oklahoma w USA, oraz najdłużej trwającą błyskawicę – 7,74 sekundy w południowej Francji.

Poprzednie rekordowe osiągnięcie oceanu pod względem wysokości fali miało miejsce także w grudniu, w 2007 roku, i też na północnym Atlantyku: zmierzona przez automatyczną boję fala miała wówczas wysokość 18,275 m.

IMO oficjalnie zatwierdza tylko pomiary dokonane przez automatyczne boje, ale rejestruje także obserwacje przekazywane przez kapitanów. Właśnie taki sygnał przekazał jeden ze statków znajdujących się na północnym Atlantyku w 2000 roku – zmierzono wówczas górę wodną wysokości 29,05 m.

W marcu 2008 roku Marek Zwierz opublikował artykuł „Gigantyczne fale" (www.zagle.com.pl); rozpoczyna go następujący akapit:

„Dwutygodniowa obserwacja powierzchni oceanu przez satelitę ERS-2-SAR ujawniła w tym okresie 25 fal o wysokości powyżej 29,8 m. Praktycznie oznacza to, że gdzieś na kuli ziemskiej codziennie czyha taki olbrzym i to wcale nie tylko na Oceanie Południowym. Takie fale występują wszędzie i nawet Bałtyk nie jest od nich wolny, choć skala zjawiska jest tu nieco mniejsza. W stosunkowo krótkim okresie pomiarowym udało się udokumentować falę blisko ośmiometrową. Ostatecznie po poważnej awarii statku pasażerskiego „Bremen", który napotkał blisko 30-metrową falę, nikt w ich istnienie już nie wątpi. Inną udokumentowaną falą była tzw. fala noworoczna z 1 stycznia 1995 roku, która zniszczyła na Morzu Północnym platformę wiertniczą. Miała wysokość 25 m. Inna fala, też na Morzu Północnym, w dniu 13 grudnia 1991 roku miała wysokość 28,3 m. Przy średnim falowaniu morza około 5 m może się przydarzyć fala o wysokości do 20 m".

Zjawiska takie fascynują. „Gniew oceanu" Wolfganga Petersena to jedna z najgłośniejszych superprodukcji w historii kina. Opowiada autentyczną historię, która wydarzyła się w 1991 roku – jakżeby inaczej – na północnym Atlantyku, gdzie szalała Grace, czyli sztorm stulecia, który powstał w wyniku zderzenia dwóch krańcowo różnych frontów pogodowych. Zjawisko nadeszło tak szybko, że meteorolodzy nie zdążyli poinformować o niebezpieczeństwie wszystkich jednostek przebywających wtedy na wodzie. Niektóre nie powróciły do portu, zaś efekty specjalne, czyli ekstremalne fale, przeszły do historii kina.

W czerwcu 2006 roku formujący się nad wschodnim Pacyfikiem cyklon spowodował niespotykane zjawiska. Do wybrzeży wszystkich krajów Ameryki Środkowej i części Ameryki Południowej oraz Północnej dotarły gigantyczne fale, podobne do tsunami. Mieszkańcy w panice opuszczali wybrzeża, uciekając w głąb lądu. Sejsmolodzy uspokajali, że fale nie mają związku z trzęsieniem ziemi, wywołał je cyklon. Z wybrzeża południowego Meksyku, między innymi z plaż słynnego kurortu Acapulco, ewakuowano setki osób. Fale rozbijające się o plaże miały wysokość 3,5 m. Podobna sytuacja miała miejsce na ekwadorskich wyspach Galapagos. Na wybrzeżach Gwatemali olbrzymie fale wdarły się w głąb lądu i zatopiły co najmniej 50 osób. Jeszcze większe fale, wysokości 4,5 m, uderzyły w nadbrzeżne miasta Nikaragui, zniszczyły ponad 200 domów oddalonych od plaż o 100 m. Największe, sześciometrowe fale dotarły do wybrzeża Salwadoru. Poważne zniszczenia spowodowały w Hondurasie, Kolumbii, Peru olbrzymie fale, niespotykane wcześniej w tym regionie. Wzdłuż zachodniego wybrzeża Ameryki ostrzeżono wszystkich turystów i mieszkańców znajdujących się w rejonie plaż.

Rośnie czarna ściana

Oceanologowie zaobserwowali, że ekstremalnie wysokie fale częściej piętrzą się na północnym Atlantyku niż na Oceanie Południowym. Cyrkulacja wiatrów i ciśnienie atmosferyczne w strefie północnego Atlantyku zimą sprzyjają formowaniu się gwałtownych burz, zaś strefa najbardziej sprzyjająca powstawaniu rekordowych morskich bałwanów rozciąga się na zachód od Wielkiej Brytanii i na południe od Islandii.

Fale sunące po powierzchni mórz i oceanów to tylko przysłowiowy czubek góry lodowej. Falowanie zachodzi również pod powierzchnią, ale niezwykle trudno je zaobserwować. Te fale wewnętrzne – jak nazywają je naukowcy – osiągają długość kilometra i wysokość do 150 metrów. Powierzchnia oceanu nad nimi jest bardziej wzburzona i pojawiają się na niej wstęgi piany, ale same fale można najłatwiej dostrzec z kosmosu. Amerykańska Agencja Kosmiczna NASA opublikowała zdjęcia tego zjawiska u brzegów wyspy Trynidad (na południowym krańcu archipelagu Małych Antyli pomiędzy Morzem Karaibskim a Oceanem Atlantyckim) wykonane przez załogę Międzynarodowej Stacji Kosmicznej ISS. Fale wewnętrzne widać z orbity tylko wtedy, gdy odbijają promienie słoneczne pod określonym kątem w stosunku do stacji kosmicznej.

Fale wewnętrzne koło wyspy Trynidad nie powstały pod wpływem wiatru, prawdopodobnie zostały wywołane na granicy szelfu kontynentalnego w okolicy, gdzie przebiega rozdział między płytkim i głębokim oceanem. Czynnikiem wywołującym fale wewnętrzne są pływy, ale żeby powstały, konieczne jest zetknięcie się mas wody o różnej gęstości. Głębinowe gigantyczne fale przemieszczają się na bardzo duże odległości, ale wolniej od fal na powierzchni.

Wpływają one na cyrkulację energii w skali globu, węgla, planktonu (pożywienia). W rezultacie w dłuższym okresie oddziałują na planetarne cykle klimatyczne. Podczas ekspedycji oceanograficznej w rejon wysp Samoa (Oceania) zespół z University of Washington w Seattle obserwował na głębokości 5 km przetaczające się fale wysokości 250 m niosące 6 mln metrów sześciennych wody na sekundę. Toczyły się przeciętnie w ciągu godziny, po czym załamywały się na dnie. Niosły chłodną wodę z Antarktyki i mieszały ją z cieplejszą w południowym Pacyfiku.

Załoga ISS sfotografowała fale wewnętrzne wiele razy, na Atlantyku i Pacyfiku.

Dla filmowców, malarzy, fotografów, a także dla ludzi nieobdarzonych zdolnościami plastycznymi gigantyczne fale są wcieleniem majestatycznego piękna. Jednak jest to majestat grozy, przed którym człowiek powinien się mieć na baczności. Właśnie z tego powodu amerykańscy naukowcy przygotowują matematyczny opis gigantycznych, niszczycielskich fal.

Podanie naukowej definicji morskiego fenomenu, jakim są ogromne fale, których amplituda i siła są wyjątkowe, nastręcza wiele trudności. Tym bardziej należy docenić to, że na głęboką wodę, a konkretnie w fale, rzucają się matematycy z Uniwersytetu Stanu Nowy Jork w Buffalo. Zamierzają ująć w formie matematycznej zakłócenia w formowaniu się normalnej fali i w rezultacie cały fenomen powstawania olbrzyma. Zespołem kieruje prof. Gino Biondini.

„Kątem oka widzę tę falę, zjawiła się znikąd, jak większość tych gór wyrastających z wodnej kipieli. Nad rufą »Poloneza« wyrosła ściana (...). Chcę, by to było przywidzeniem, ale nad rufą »Poloneza« rośnie ta sama czarna ściana. Wiem, że to koniec, że nie pomoże żaden kurs i żadna teoria" (Krzysztof Baranowski, „Droga na Horn").

Na Bałtyku, nawet w czasie najsilniejszych sztormów, wysokość fal nie przekracza 5 metrów. Na większych akwenach są one dwa razy wyższe. Są jednak wyjątki. W lutym 1955 roku transatlantyk „Queen Elizabeth II" napotkał na swym kursie na Atlantyku górę wodną wysoką na 29 m. Najwyższą udokumentowaną falę zmierzono 6 października 2007 roku koło Tajwanu, miała 32,3 m wysokości (ale tego rekordu IOM nie uznała).

– Takie góry wodne wysokości 12-piętrowego domu są w stanie przełamać nawet największy statek. Nie jest jednak wykluczone, że na oceanach mogą pojawiać się nawet wyższe fale, zwłaszcza tsunami. Wysokość tsunami na otwartym oceanie sięga od 0,1 do 5 m, ale symulacje komputerowe wskazują, że w pobliżu lądu ich wysokość może wzrastać do 50 m, a nawet wyżej – ostrzega prof. Luigi Cavalieri z Instytutu Badań Morskich w Wenecji, uznany w świecie oceanolog.

Nie licząc tsunami, dotychczas nie udało się powiązać gigantycznych fal z określonymi warunkami geofizycznymi, na przykład z ciśnieniem, temperaturą, bliskością prądów oceanicznych itp. Wyjątkowej wielkości góry wodne mogą się pojawiać na każdym akwenie przy każdej pogodzie, na wodach głębokich i płytkich, w strefach ciszy i w rejonach huraganów.

Matematycy o wodzie

Amerykańscy matematycy, którymi kieruje wspomniany już prof. Gino Biondini. twierdzą, że wyjątkowe fale rosną wówczas, gdy w procesie powstawania normalnych fal pojawiają się drobne zakłócenia. Właśnie te anomalie chcą ująć w formie równania.