Há muito tempo que marinheiros contam histórias de “paredes de água” que parecem surgir do nada - e, durante anos, muita gente tratou isso como exagero. Hoje sabe‑se que essas ondas existem: são as chamadas ondas errantes (rogue waves), vagas gigantes e isoladas que podem aparecer subitamente em mar aberto.
O que as torna tão inquietantes é a combinação de escala e rapidez. Duram pouco, normalmente menos de um minuto, mas podem atingir 20 metros (65 pés) ou mais - muitas vezes com mais do dobro da altura das ondas à volta. De mito náutico passaram a fenómeno observado em todo o mundo e, pela sua força, representam um risco real para navios e estruturas offshore.
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, lança nova luz sobre estes “gigantes” do oceano com o conjunto de dados mais completo do género.
Ao analisar 18 anos de medições a laser de alta frequência da plataforma petrolífera de Ekofisk, no centro do Mar do Norte, chegámos a uma conclusão surpreendente: as ondas errantes não são apenas ocorrências bizarras. Elas surgem dentro das leis naturais do mar. Não são misteriosas - são, até, relativamente simples.
27,500 sea states
Analisámos quase 27.500 registos de ondas de meia em meia hora, ou sea states, recolhidos entre 2003 e 2020 no centro do Mar do Norte. Estes registos, obtidos a cada 30 minutos, descrevem o quanto a superfície do mar se elevou em relação ao nível médio. Incluem grandes tempestades, como o evento da onda Andrea em 2007.
Em condições normais, as ondas nascem do vento a soprar sobre a superfície do mar. É como quando sopra por cima de uma chávena de café e cria pequenas ondulações. No oceano, com tempo e espaço suficientes, essas ondulações podem transformar‑se em ondas grandes.
O nosso foco foi perceber o que faz com que, de repente, algumas ondas “se tornem errantes” e subam 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, porque o meu trabalho sugere que essa teoria não explica totalmente o que causa ondas errantes em mar aberto.
Quando as ondas ficam “presas” num canal estreito, a teoria da instabilidade modulacional descreve bem o seu movimento ondulatório. Mas começa a falhar quando olhamos para o oceano real. Em ambientes abertos, como o Mar do Norte, as ondas podem propagar‑se livremente em múltiplas direções.
Para perceber a diferença, imagine uma multidão a sair de um estádio depois de 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 vem atrás empurra, e alguns podem até passar por cima de outros, criando um amontoado entre as paredes. Esse amontoado catastrófico lembraria uma onda errante, causada pela contenção.
Em contraste, se a saída do estádio der para um campo aberto, os espectadores dispersam‑se em todas as direções. Não se empurram e evitam amontoados.
Da mesma forma, os investigadores conseguem gerar ondas errantes em laboratório num canal confinado, onde obedecem à instabilidade modulacional. Mas sem a contenção do canal, as ondas errantes normalmente não seguem essa física nem se formam da mesma maneira em mar aberto.
A nossa equipa sabia que era preciso estudar diretamente o oceano aberto para perceber o que realmente se passava. Os dados reais do Mar do Norte que analisámos não batem certo com a instabilidade modulacional - contam uma história diferente.
It's just a bad day at sea
Analisámos os registos dos sea states com técnicas estatísticas para descobrir padrões por trás destes eventos raros. Os resultados indicam que, em vez da instabilidade modulacional, as ondas extremas observadas terão sido mais provavelmente formadas por um processo chamado interferência construtiva.
A interferência construtiva acontece quando duas ou mais ondas se alinham e se somam, criando uma onda maior. Este efeito é reforçado pela assimetria natural das ondas do mar - as cristas tendem a ser mais afiadas e inclinadas do que os vales, mais suaves.
As ondas errantes formam‑se quando muitas ondas pequenas se alinham e as suas cristas mais íngremes começam a “empilhar‑se”, construindo uma única onda enorme que, por instantes, se eleva muito acima do que a rodeia. Para uma travessia tranquila virar um “mau dia no mar”, basta um momento em que muitas ondas normais convergem e se sobrepõem.
Estas ondas errantes sobem e descem em menos de um minuto, seguindo o que se chama um padrão quase determinístico no espaço e no tempo. É um padrão reconhecível e repetível, mas com alguma aleatoriedade.
Num oceano idealizado, essa aleatoriedade quase desapareceria, permitindo que as ondas errantes crescessem até alturas praticamente infinitas. Mas também seria preciso uma eternidade para observar uma dessas ondas, porque seria necessário que um número enorme de ondas se alinhasse de forma perfeita. Seria como esperar que Fortuna, a deusa da sorte, lançasse um trilião de dados e que quase todos mostrassem o mesmo número.
No oceano real, a natureza limita o tamanho que uma onda errante pode atingir graças à rebentação. À medida que a onda aumenta em altura e energia, chega a um ponto de não retorno. A ponta da onda derrama‑se e parte‑se em espuma, formando uma crista branca, libertando o excesso de energia.
The quasi-deterministic pattern behind rogue waves
As ondas errantes não estão limitadas ao 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 nos vórtices - padrões de redemoinho que, por instantes, crescem à medida que avançam a jusante.
Embora as ondas do oceano pareçam imprevisíveis, a teoria de Boccotti mostra que as ondas extremas não são completamente aleatórias. Quando se forma uma onda muito grande, as ondas à sua volta no mar seguem um padrão identificável, 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, como uma impressão digital, na 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 a deslocar‑se em conjunto. Sobem, atingem o pico e depois desaparecem através da interferência construtiva. Seguir estes grupos ajuda os investigadores a compreender o quadro geral de um evento errante à medida que se desenrola.
Como exemplo, uma forte tempestade atingiu o Mar do Norte a 24 de novembro de 2023. Uma câmara na plataforma de Ekofisk captou 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 essas teorias - quase determinismo e interferência construtiva - e resultou de várias 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 seguros - 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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