Durante muito tempo, as “ondas errantes” (rogue waves) viveram entre relatos de marinheiros e o cepticismo científico. São ondas gigantes e isoladas que podem surgir de repente em mar aberto, sem aviso.
O mais desconcertante é a rapidez: aparecem e desaparecem em instantes, geralmente em menos de um minuto. Podem atingir 20 metros (65 pés) ou mais - muitas vezes com mais do dobro da altura das ondas à volta. O que antes parecia mito náutico já foi observado em vários oceanos e, pela sua força e dimensão, representa um risco real para navios e infraestruturas offshore.
Para repensar o que são estas ondas e o que as desencadeia, reuni uma equipa internacional de investigadores. O nosso estudo, publicado na Nature Scientific Reports, lança nova luz sobre estes gigantes do oceano com o conjunto de dados mais completo do género.
Ao analisarmos 18 anos de medições laser de alta frequência da plataforma petrolífera de Ekofisk, no centro do Mar do Norte, chegámos a uma conclusão inesperada: as ondas errantes não são apenas “acidentes” raríssimos. Elas surgem dentro das leis naturais do mar. Não são misteriosas - são, em certa medida, simples.
27,500 sea states
Analisámos quase 27.500 registos de ondas de meia hora, ou sea states, recolhidos entre 2003 e 2020 no centro do Mar do Norte. Estes registos, feitos a cada 30 minutos, descrevem o quão elevada estava a superfície do mar face ao nível médio. Incluem grandes tempestades, como o evento da onda Andrea em 2007.
Em condições normais, as ondas formam-se quando o vento sopra sobre a superfície do mar. É semelhante a soprar para cima de uma chávena de café e criar pequenas ondulações. No oceano, com tempo e espaço suficientes, essas ondulações podem transformar-se em ondas grandes.
Concentrámo-nos em perceber o que faz com que, de repente, algumas ondas “fujam à regra” e se elevem muito acima das vizinhas. Uma teoria proposta baseia-se na instabilidade modulacional, um fenómeno descrito por modelos matemáticos complexos. No passado, já revi estes modelos, e o meu trabalho indica que essa teoria não explica totalmente o que origina ondas errantes em mar aberto.
Quando as ondas ficam confinadas a um canal estreito, a teoria da instabilidade modulacional descreve bem o seu movimento ondulante. Mas começa a falhar quando olhamos para o oceano real. Em ambientes abertos, como o Mar do Norte, as ondas propagam-se livremente a partir de várias direções.
Para perceber a diferença, imagine uma multidão a sair de um estádio após um jogo de futebol. Se a saída for um corredor longo e estreito, com paredes altas, as pessoas são obrigadas a avançar numa única direção. Quem está atrás empurra, e alguns podem até subir sobre outros, criando um “engarrafamento” entre as paredes. Esse amontoado catastrófico lembraria uma onda errante, provocada pelo confinamento.
Em contrapartida, se a saída do estádio der para um campo amplo, os espectadores dispersam-se livremente em todas as direções. Não se empurram e evitam acumulações.
De forma semelhante, é possível gerar ondas errantes em laboratório num canal confinado, onde obedecem à instabilidade modulacional. Mas sem o confinamento do canal, as ondas errantes geralmente não seguem essa física - nem se formam da mesma maneira - em mar aberto.
A nossa equipa sabia que tinha de estudar diretamente o oceano aberto para perceber o que estava realmente a acontecer. Os dados do mundo real que analisámos no Mar do Norte não batem certo com a instabilidade modulacional - contam uma história diferente.
It's just a bad day at sea
Analisámos os registos de sea state com técnicas estatísticas para detetar padrões por trás destes eventos raros. Os resultados mostram que, em vez de instabilidade modulacional, as ondas extremas observadas terão sido mais provavelmente formadas por um processo chamado interferência construtiva.
A interferência construtiva ocorre quando duas ou mais ondas se alinham e se combinam numa única onda maior. Este efeito é reforçado pela assimetria natural das ondas do mar - as cristas tendem a ser mais afiadas e íngremes do que os vales, mais suaves e planos.
As ondas errantes formam-se quando muitas ondas menores se alinham e as suas cristas mais íngremes começam a “empilhar-se”, construindo uma única onda enorme que, por breves instantes, se eleva muito acima do que a rodeia. Para uma travessia tranquila se transformar num mau dia no mar, basta um momento em que muitas ondas comuns convergem e se somam.
Estas ondas errantes sobem e descem em menos de um minuto, seguindo um padrão chamado quase determinístico no espaço e no tempo. É um padrão reconhecível e repetível, embora com alguma aleatoriedade.
Num oceano idealizado, essa aleatoriedade quase desapareceria, permitindo que as ondas errantes crescessem até alturas quase infinitas. Mas também seria preciso esperar uma eternidade para ver uma, porque tantas ondas teriam de se alinhar na perfeição. Seria como esperar que Fortuna, a deusa do acaso, lançasse um bilião de dados e que quase todos caíssem no mesmo número.
No oceano real, a natureza limita o crescimento de uma onda errante através do rebentamento. À medida que a onda aumenta em altura e energia, chega a um ponto sem retorno. A ponta da onda derrama-se e rebenta em espuma - a crista branca - libertando o excesso de energia.
The quasi-deterministic pattern behind rogue waves
As ondas errantes não são exclusivas do mar. A interferência construtiva pode ocorrer em muitos tipos de ondas. Uma teoria geral chamada quase-determinismo das ondas, desenvolvida pelo oceanógrafo Paolo Boccotti, explica como as ondas errantes se formam, tanto no oceano como noutros sistemas ondulatórios.
Por exemplo, em água turbulenta a escoar num canal confinado, uma onda errante pode manifestar-se como um pico intenso e de curta duração de vórtices - padrões de redemoinhos na água que, por momentos, crescem à medida que se deslocam a jusante.
Embora as ondas do mar pareçam imprevisíveis, a teoria de Boccotti mostra que as ondas extremas não são totalmente aleatórias. Quando se forma uma onda muito grande, as ondas em redor seguem um padrão reconhecível, criado por interferência construtiva.
Aplicámos a teoria de Boccotti para identificar e caracterizar esses padrões nos registos medidos no Mar do Norte.
As ondas gigantes observadas nesses registos trazem uma espécie de assinatura, sob a forma de um grupo de ondas, que pode revelar como a onda errante ganhou vida. Pense num grupo de ondas como um pequeno “pacote” de ondas que se desloca em conjunto. Elas sobem, atingem o pico e depois esmorecem através de interferência construtiva. Acompanhar estes grupos ajuda os investigadores a compreender o quadro completo de um evento extremo à medida que acontece.
Como exemplo, uma forte tempestade atingiu o Mar do Norte a 24 de novembro de 2023. Uma câmara na plataforma de Ekofisk registou uma onda errante massiva de 17 metros (55 pés). Apliquei a teoria do quase-determinismo e um modelo de IA para investigar a origem desta onda extrema.
A minha análise revelou que o evento seguiu estas teorias - quase-determinismo e interferência construtiva - e resultou de múltiplas ondas menores a empilharem-se repetidamente.
Reconhecer como as ondas errantes se formam pode ajudar engenheiros e projetistas a construir navios e plataformas offshore mais seguras - e a prever melhor os riscos.
Francesco Fedele, Associate Professor of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology
This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article.
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