Ondas errantes no Mar do Norte: o que os dados de Ekofisk revelam

As ondas errantes têm fascinado marinheiros e cientistas há várias décadas. São vagas gigantes e isoladas que surgem de forma abrupta em pleno oceano.

Estes “gigantes” intrigantes duram pouco tempo - normalmente menos de um minuto - antes de desaparecerem. Podem atingir 20 metros (cerca de 65 pés) ou mais e, muitas vezes, têm mais do dobro da altura das ondas em redor. Durante muito tempo consideradas um mito náutico, as ondas errantes já foram observadas em todo o mundo. Pela sua altura e força, representam um risco real para navios e para estruturas instaladas ao largo.

Para repensar o que são as ondas errantes e o que as provoca, reuni uma equipa internacional de investigadores. O nosso estudo, publicado na Nature Scientific Reports, esclarece estes gigantes do oceano com recurso ao conjunto de dados mais abrangente do seu género.

Ao analisarmos 18 anos de medições laser de alta frequência provenientes da plataforma petrolífera de Ekofisk, no centro do Mar do Norte, chegámos a uma conclusão inesperada: as ondas errantes não são apenas ocorrências “fora do normal”. Elas podem emergir ao abrigo das leis naturais do mar. Não têm nada de misterioso - são, em certo sentido, relativamente simples.

27.500 estados do mar

Estudámos quase 27.500 registos de ondas com duração de meia hora - os chamados estados do mar - recolhidos entre 2003 e 2020 no centro do Mar do Norte. Estes registos, obtidos a cada 30 minutos, descrevem quão elevada estava a superfície do mar face ao nível médio. Incluem tempestades importantes, 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 parecido com soprar sobre uma chávena de café e ver aparecer pequenas ondulações. No oceano, com tempo e espaço suficientes, essas ondulações podem transformar-se em vagas maiores.

O nosso foco foi perceber o que leva, de repente, uma onda a tornar-se errante e a elevar-se muito acima das ondas vizinhas. Uma explicação proposta baseia-se na instabilidade modulacional, um fenómeno descrito por modelos matemáticos complexos. Já revisitei esses modelos no passado, e o meu trabalho indica que esta teoria não explica por completo a origem das ondas errantes em mar aberto.

Quando as ondas ficam confinadas num canal estreito, a teoria da instabilidade modulacional descreve bem o seu comportamento ondulatório. No entanto, quando se observa o oceano real, a teoria começa a falhar. Em ambientes abertos como o Mar do Norte, as ondas podem propagar-se livremente em várias direcções.

Para visualizar 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 ficam obrigadas a avançar numa só direcção. Quem vem atrás empurra, e alguns podem até passar por cima de outros, acumulando-se entre as paredes. Esse amontoado catastrófico seria semelhante a uma onda errante, gerada pelo confinamento.

Já se a saída do estádio der para um campo amplo, os espectadores conseguem dispersar-se em todas as direcções. Não há empurrões significativos e evitam-se acumulações.

De forma semelhante, é possível gerar ondas errantes em laboratório dentro de um canal confinado, onde obedecem à instabilidade modulacional. Mas sem o confinamento do canal, em geral as ondas errantes não seguem essa física - nem se formam do mesmo modo - em mar aberto.

A nossa equipa percebeu, por isso, que tinha de estudar directamente o oceano para entender o que estava de facto a acontecer. Os dados reais do Mar do Norte que analisámos não são compatíveis com a instabilidade modulacional - contam uma história diferente.

É apenas um mau dia no mar

Tratámos os registos de estados do mar com técnicas estatísticas para revelar padrões por trás destes acontecimentos raros. Os resultados indicam que, em vez de instabilidade modulacional, as ondas extremas observadas terão sido formadas com maior probabilidade por um processo chamado interferência construtiva.

A interferência construtiva ocorre quando duas ou mais ondas se alinham e se combinam, criando uma única onda maior. Este efeito é reforçado pela assimetria natural das ondas do mar - as cristas tendem a ser mais agudas e inclinadas do que os vales, que são mais suaves.

As ondas errantes aparecem quando muitas ondas menores se alinham e as suas cristas mais íngremes começam a sobrepor-se, acumulando-se até formar uma vaga única e massiva que, por instantes, se eleva muito acima do resto. Para que um passeio tranquilo de barco se transforme num mau dia no mar, basta um momento em que várias ondas comuns convergem e “empilham”.

Estas ondas errantes sobem e descem em menos de um minuto, seguindo o que se designa por um padrão quase determinístico no espaço e no tempo. Trata-se de um padrão identificável e repetível, mas com um certo grau de aleatoriedade.

Num oceano idealizado, essa aleatoriedade quase desapareceria, permitindo que as ondas errantes crescessem até alturas praticamente infinitas. Em contrapartida, seria preciso “uma eternidade” para observar uma, porque seria necessário um alinhamento perfeito de muitas ondas. 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 impõe um limite ao crescimento de uma onda errante através da rebentação. À medida que a onda ganha altura e energia, chega a um ponto a partir do qual já não se consegue sustentar. A crista derrama-se e rebenta em espuma - a crista branca - libertando o excesso de energia.

O padrão quase determinístico por trás das ondas errantes

As ondas errantes não são exclusivas do mar. A interferência construtiva pode ocorrer em diversos tipos de ondas. Uma teoria geral, conhecida como quase determinismo das ondas, desenvolvida pelo oceanógrafo Paolo Boccotti, descreve como se formam ondas errantes, tanto no oceano como noutros sistemas ondulatórios.

Por exemplo, em água turbulenta a fluir num canal confinado, uma onda errante pode manifestar-se como um pico intenso e fugaz de vórtices - padrões de redemoinhos giratórios que, por momentos, aumentam de dimensão à medida que avançam corrente abaixo.

Embora as ondas do mar pareçam imprevisíveis, a teoria de Boccotti mostra que as ondas extremas não são totalmente aleatórias. Quando se forma uma vaga realmente grande, as ondas em redor seguem um padrão reconhecível, gerado por interferência construtiva.

Aplicámos a teoria de Boccotti para identificar e caracterizar esses padrões nos registos medidos no Mar do Norte.

As vagas gigantes observadas nesses registos exibem uma espécie de assinatura - uma “impressão digital” - sob a forma de um grupo de ondas, que ajuda a perceber como a onda errante ganhou forma. Um grupo de ondas pode ser entendido como um pequeno “pacote” de ondas que se desloca em conjunto. Ele cresce, atinge um pico e depois desvanece por interferência construtiva. Ao seguir esses grupos, os investigadores conseguem compreender o quadro completo de um evento errante à medida que se desenrola.

Como exemplo, uma tempestade intensa atingiu o Mar do Norte a 24 de novembro de 2023. Uma câmara na plataforma de Ekofisk registou uma onda errante de 17 metros (cerca de 55 pés). Apliquei a teoria do quase determinismo e um modelo de IA para investigar a origem desta onda extrema.

A minha análise mostrou que o evento errante seguiu essas teorias - quase determinismo e interferência construtiva - e resultou do empilhamento repetido de várias ondas menores.

Compreender como se formam as ondas errantes pode ajudar engenheiros e projectistas a construir navios e plataformas ao largo mais seguros - e a antecipar melhor os riscos.

Francesco Fedele, Professor Associado de Engenharia Civil e Ambiental, Georgia Institute of Technology

Este artigo é republicado de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.