Nghiên cứu mới hé lộ cơ chế hình thành sóng khổng lồ trên đại dương

Điểm nổi bật:

• Phân tích 18 năm dữ liệu sóng tại giàn khoan Ekofisk, Biển Bắc.
• Cơ chế chính tạo ra sóng khổng lồ là bất đối xứng sóng ràng buộc, không phải bất ổn điều chế.
• Đỉnh sóng nhọn và hõm sóng trũng hơn làm khuếch đại tiềm năng phá hoại.
• Biển mở với sóng ngắn đa hướng làm bất ổn điều chế gần như không còn vai trò.
• Kết quả thách thức thiết kế tàu và giàn khoan dựa trên giả thuyết bất ổn điều chế.

Trong bộ phim thảm họa năm 2006 Poseidon, một tàu du lịch sang trọng bị lật úp bởi một con sóng khổng lồ bất ngờ, buộc hành khách phải chiến đấu để sinh tồn. Mặc dù Hollywood thường cường điệu hóa, nhưng những con sóng khổng lồ và cực kỳ nguy hiểm như vậy thực sự tồn tại.

Những bức tường nước này, thường cao hơn gấp đôi mực nước biển xung quanh, có thể ập đến mà không báo trước, nuốt chửng tàu và làm tê liệt các giàn khoan ngoài khơi.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã vật lộn để giải mã cơ chế hình thành của những “quái vật” biển này. Giờ đây, một bước đột phá từ nhóm nghiên cứu quốc tế có thể đã vén màn bí mật về sự xuất hiện và hành vi của sóng khổng lồ.

Trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Scientific Reports, các nhà khoa học đã phân tích gần hai thập kỷ dữ liệu sóng thu thập tại giàn khoan Ekofisk ở Biển Bắc, một trong những vùng biển khắc nghiệt nhất thế giới.

Kết quả đặt dấu hỏi lớn về giả thuyết lâu đời cho rằng sóng khổng lồ chủ yếu hình thành từ bất ổn điều chế — một chuỗi phản ứng phi tuyến, nơi các sóng truyền năng lượng lẫn nhau cho đến khi một đỉnh khổng lồ bùng nổ.

Thay vào đó, nghiên cứu cho thấy nguyên nhân chủ đạo là bất đối xứng sóng ràng buộc — hiện tượng mà đỉnh sóng nhọn hơn và hõm sóng trũng hơn, tạo ra những biến dạng nhỏ nhưng đủ để khuếch đại tiềm năng phá hoại của sóng cực đoan.

“Từ những năm 1990, bất ổn điều chế đã được đề xuất như một lời giải thay thế cho hiện tượng giao thoa sóng trong giải thích sóng khổng lồ,” các tác giả viết. “Nghiên cứu này đặt ra nghi vấn về mức độ liên quan của bất ổn đó đối với sóng thực tế thông qua tập dữ liệu đo sóng bằng laze tần suất cao trong 18 năm (2003–2020) tại Ekofisk.”

Trong nhiều thế kỷ, sóng khổng lồ chỉ tồn tại trong truyền thuyết của thủy thủ với những câu chuyện kinh hoàng hiếm ai tin là thật. Mọi chuyện chỉ thay đổi vào ngày đầu năm 1995 khi một con sóng cao 24 mét ập vào giàn khoan Draupner ở Biển Bắc.

Con “sóng Draupner” này là lần đầu tiên sóng khổng lồ được xác nhận bằng công cụ đo chính xác, chứng minh những huyền thoại hàng hải không phải trò hoang đường và cung cấp cho khoa học dữ kiện cứng đầu tiên.

“It confirmed what seafarers had described for centuries,” Tiến sĩ Francesco Fedele, đồng tác giả và phó giáo sư Kỹ thuật Dân dụng và Môi trường tại Georgia Tech, nói trong một thông cáo báo chí. “Họ luôn kể về những con sóng xuất hiện đột ngột và rất lớn — nhưng chúng tôi từng nghĩ đó chỉ là huyền thoại.”

Ngay cả với bằng chứng từ sóng Draupner, cơ chế tạo ra sóng khổng lồ vẫn là bí ẩn. Những lý thuyết cạnh tranh xuất hiện, từ giao thoa đơn giản đến bất ổn điều chế phức tạp, nhưng không lý thuyết nào chiếm ưu thế tuyệt đối.

Để giải mã, nhóm nghiên cứu quốc tế bao gồm Technion (Israel), Viện Khí tượng Na Uy và Georgia Tech đã phân tích hơn 27.500 trạng thái biển riêng lẻ.

Bằng cách tách tác động của phi tuyến ràng buộc (các sóng bị méo lặp crests và troughs) khỏi bất ổn điều chế, họ tìm thấy bằng chứng áp đảo cho thấy bất đối xứng sóng ràng buộc là yếu tố chủ đạo trong hình thành sóng khổng lồ.

Nói ngắn gọn, những sóng có hình dạng hơi lệch lạc lại nguy hiểm hơn nhiều so với vẻ ngoài của chúng.

Phát hiện này bác bỏ quan điểm cho rằng bất ổn điều chế là “quả bom hẹn giờ” của đại dương. Lý thuyết này từng được củng cố nhờ thí nghiệm trong bể sóng hẹp, nơi các điều kiện tạo thuận lợi cho bất ổn xuất hiện.

Tuy nhiên, đại dương mở có sóng ngắn đa hướng, phân tán năng lượng khắp mọi phía, khiến bất ổn điều chế không đủ điều kiện để phát triển theo lý thuyết.

Cả sóng Draupner năm 1995 lẫn các sóng Andrea và Borgny trong những năm 2000 đều xảy ra trong điều kiện không phù hợp với bất ổn điều chế.

Nghiên cứu nhấn mạnh rằng việc làm sắc đỉnh sóng phi tuyến mới là yếu tố đẩy sóng cực đoan vào phạm vi thảm họa.

“Các trạng thái biển Andrea và Borgny đều có độ lan tỏa hướng rất nhỏ và hệ số kurtosis động gần như không đáng kể,” nhóm nghiên cứu giải thích. “Trong đại dương mở, năng lượng sóng không bị giam giữ trong kênh hẹp mà phân tán theo nhiều hướng. Các phi tuyến bậc ba hầu như không đáng kể.”

Tác động của phát hiện này rất sâu rộng đối với an toàn hàng hải. Các mô hình thiết kế tàu và giàn khoan thường giả định điều kiện tuyến tính hoặc chỉ tính đến bất ổn điều chế.

Nếu sóng khổng lồ hình thành chủ yếu qua bất đối xứng sóng, các kỹ sư có thể phải xem xét lại tiêu chuẩn thiết kế và gia cường kết cấu để ứng phó mối nguy mới.

Nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của dữ liệu dài hạn và độ phân giải cao. Nhờ tập dữ liệu 18 năm, các nhà khoa học mới có thể phát hiện các quy luật thống kê mà thử nghiệm quy mô nhỏ không thể cung cấp.

Kết quả cho thấy sóng khổng lồ, tuy hiếm, không phải tai nạn ngẫu nhiên mà là hệ quả có thể dự đoán của điều kiện bão tố đặc thù. Nói cách khác, những con sóng khủng khiếp nhất không phá vỡ định luật vật lý mà chỉ vận dụng chúng một cách tàn nhẫn.

“Rogue waves follow the natural orders of the ocean — not exceptions to them,” Tiến sĩ Fedele giải thích. “Đây là bằng chứng thực tế xác đáng nhất cho đến nay.”

Đối với những ai dấn thân vào vùng biển tố, kết quả mới là lời nhắc nhở chua chát: sóng khổng lồ không sinh ra từ chuỗi phản ứng bí ẩn, mà từ biến dạng tinh tế có thể biến cơn bão bình thường thành thảm họa. Giống như phim Poseidon, ranh giới giữa biển lặng và tai ương chỉ cách nhau một đợt sóng bất thường.

“Simply put, sóng khổng lồ là một ngày tồi tệ dưới biển,” Tiến sĩ Fedele nói. “Chúng là sự kiện cực đoan, nhưng là một phần ngôn ngữ của đại dương. Chúng ta chỉ mới bắt đầu học cách lắng nghe.”