1.3. «Ядерная зима»

Важность долговременного прогноза погоды и изменение климата (в первую очередь, за счет деятельности человека) трудно переоценить. Очевидно, что прогноз погоды необходим (Будут ли летать самолеты? Можно ли планировать шашлык на свежем воздухе в следующую субботу? и т.д.). Прогнозирование изменения климата необходимо для долговременного планирования развития экономики в региональном и глобальном масштабах.

Изменение погоды и климата определяется состоянием атмосферы, океанов, поверхности Земли. Протекающие в этих системах процессы очень разнообразны и сложны. Это – движение воздушных и водных масс (аэро- и гидродинамика), тепло- и массообмен, взаимодействие солнечного света с веществом Земли и многие другие явления. Дополнительными усложнениями являются внешние и внутренние неоднородности такой сложной системы, как Земля+Солнце+Луна. Отметим, что все остальные планеты, а уж тем более звезды, никак не могут влиять на состояние Земли и конкретного человека, что ставит крест на любых астрологических предсказаниях. Впрочем, это справедливо и в рамках всех классических мировых религий, одной из основных догм которых является постулат о свободной воле человека.

Одной из базовых особенностей рассматриваемой системы является разномасштабность процессов в пространстве и во времени. Классическим примером могут служить турбулентные атмосферные и океанические потоки, хаотические флуктуации, в которых имеют масштабы от сантиметров до сотен километров.

Второй базовой особенностью является нелинейность всех протекающих процессов. В качестве удивительного примера проявления нелинейности приведем так называемых «волн-убийц», само существование которых вплоть до недавнего времени ставилось под сомнение и они трактовались как один из элементов морского фольклора.

«Волны-убийцы»

Несмотря на многочисленные свидетельства очевидцев, начиная с древнейших времен, реальность «волн-убийц» была признана сравнительно недавно. Приведем одно из ранних свидетельств.

В 1840 году во время своей экспедиции французский мореплаватель Дюмон д^’Юрвиль (1792-1842) наблюдал гигантскую волну высотой 35 метров. На Заседании Французского географического общества его подняли на смех, так как никто не мог поверить, что такие монстры могут существовать. По словам чудом уцелевших очевидцев, такие волны возникают неожиданно и существуют зачастую всего несколько секунд.

Первое документальное подтверждение существования «волн-убийц» было получено в 1980 году, когда старшему помощнику капитана нефтяного танкера Esso Langbedoc Филиппу Лепсуру удалось заснять волну, высота которой была определена в 30,5 м. Эта фотография приведена на рис. 1.6. С этого момента началось изучение этого таинственного явления.

Согласно подсчетам экспертов, с 1968 по 1994 год «волны-убийцы» погубили около 200 судов, в том числе 22 супертанкера и погибло более 600 человек (рис. 1.7).

Результат встречи судна с «волной-убийцей» показан на рис. 1.8.

На рис. 1.9 воспроизведена фотография, показывающая, как «волна-убийца» захлестывает буровую платформу.

Рис. 1.6. Первое документальное свидетельство существования «волн-убийц»

Рис. 1.7. Статистика встреч супертанкеров с «волнами-убийцами» за 1968-1994 гг.

Рис. 1.8. Последствия встречи океанского корабля с «волной-убийцей»

Рис. 1.9. «Волна-убийца» и буровая платформа

На рис. 1.10, 1.11 показаны результаты фиксации волнения современными измерительными средствами.

Выяснилось, что «волны-убийцы» не имеют отношения ни к цунами, ни к обычным волнам, порождаемым сильным штормом, и могут возникнуть при слабом ветре и умеренном волнении.

Наконец, решающий шаг в экспериментальном изучении волн-убийц был сделан в 2000 году, когда Европейское космическое агенство защитило проект MaxWave. Уже через несколько недель стало ясно, что по крайней мере раз в два дня в мировом океане возникает волна высотой около 30 метров.

Уровень воды, м	Время, мин
Рис. 1.10. «Новогодняя волна», зарегистрированная в Северном море 1 января 1995 г.

Уровень воды, см	Время, сек
Рис. 1.11. Аномальная волна, зарегистрированная с буя в Черном море 22 ноября 2002 г.

«Волны-убийцы» были воспроизведены в вычислительных экспериментах, проведенных под руководством выдающегося российского физика-теоретика В.Е. Захарова. Математической моделью этого явления является уравнение в частных производных, описывающее нестационарное течение идеальной жидкости со свободной поверхностью. Подчеркнем нелинейность этих уравнений.

На рис. 1.12 показаны результаты численного моделирования «волны-убийцы». Результаты математического моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными. В частности, на рис. 1.13 хорошо виден профиль волны, который очень похож на расчетный (рис. 1.12).

Профиль поверхности (в усл.ед.)	Время (в усл.ед.)
	Форма волны (масштаб в усл.ед.)
Рис. 1.12. Результаты математического моделирования

Рис. 1.13. Фотография волны, сделанная у мыса Ольга (юг Кроноцкого п-ова, Камчатка) В. Соколовским в июне 2006г.

Волны, представленные на рис. 1.6, 1.9, 1.10 не просто большие, а именно внезапно большие. Они разительно выделяются из предшествующих и следующих за ними волн по высоте и форме. Этот факт умножает ее губительность.

Приведем в качестве примера описание встречи с «волной-убийцей» российского танкера-рефрижератора “Таганрогский залив”: «…27 апреля 1984 г. танкер следовал из Индийского океана в юго-восточную Атлантику. Дул 6-балльный северо-северо-восточный ветер. В 05 ч ветер изменился на юго-западный, стал постепенно усиливаться и к 11 ч достиг силы 8 баллов. Сразу после 12 ч было замечено ослабление ветра; в 12 ч 30 мин, согласно измерениям, его скорость составила 15 м/c. Такой же силы ветер оставался и в последующие три часа. Волнение моря после 12 ч тоже несколько уменьшилось и не превышало 6 баллов. Ход судна был сбавлен до самого малого, оно слушалось руля и хорошо “отыгрывалось” на волне. Бак и палуба водой не заливались. Неожиданно в 13 ч 01 мин носовая часть судна несколько опустилась, и вдруг у самого форштевня под углом 10-15° к курсу судна был замечен гребень одиночной волны, которая возвышалась на 4-5 м над баком (фальшборт бака отстоял от уровня воды на 11 м). Гребень мгновенно обрушился на бак и накрыл работающих там матросов (один из них погиб). Матросы рассказывали, что судно как бы плавно пошло вниз, скользя по волне, и “зарылось” в вертикальный срез ее фронтальной части. Никто удара не ощутил, волна плавно перекатилась через бак судна, накрыв его слоем воды толщиной более 2 м. Ни вправо, ни влево продолжения волны не было.»

Таким образом, волна появилась внезапно, была неожиданно высокой и крутой. Эти свойства формируют среди высоких волн особый класс – необычных, аномальных волн, «волн-убийц». Поскольку многие их параметры остаются неизвестными, само определение оказывается довольно расплывчатым. Чаще всего пользуются амплитудным критерием выделения аномально высоких волн: волна считается аномально высокой, если ее высота не менее чем в два раза (иногда считают в четыре раза) превышает среднюю высоту обычных волн в данный момент времени.

Одной из проблем в изучении «волн-убийц» является сложность их получения в лабораторных условиях. Тем не менее, в 2010 году впервые экспериментально были получены так называемые солитоны-­­­­­бризеры Перегрина, являющиеся по мнению многих ученых возможным прототипом «волн-убийц». Эти солитоны были получены для оптической системы, однако уже в 2011 году они были получены для волн на воде, а в 2012 году удалось экспериментально продемонстрировать солитоны-бризеры более высокого порядка, для которых амплитуда в пять раз превышает амплитуду фонового волнения.

На рис. 1.14 показаны расчеты профиля, соответствующего солитону, а на рис. 1.15 – экспериментальная установка, на которой была воспроизведена волна-убийца.

Рис. 1.14. Зависимость отношения амплитуды солитона к средней амплитуде обычных волн от координаты Х (в усл.ед.), времени Т (в усл.ед.)
	(б)
	Рис. 1.15. Экспериментальная установка, на которой была воспроизведена «волна-убийца» в 2012 году: (а) фотография; (б) схематическое изображение установки