海上“巨獸”瘋狗浪

簡(jiǎn)愛

在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，瘋狗浪僅僅是水手們的傳說，直到最近幾十年，這只神秘海上“巨獸”的存在才得以“實(shí)錘”。

1995年元旦期間，一個(gè)高分辨率的快照捕捉到了一個(gè)突兀的、聳立在海面上高達(dá)26米的海浪，這只“巨獸”以迅雷不及掩耳之勢(shì)襲擊了挪威北海的德羅普尼爾石油裝備系統(tǒng)，給了當(dāng)?shù)卣两跉g慶節(jié)日氛圍中的人們當(dāng)頭一棒。這只“巨獸”就是瘋狗浪。此后，研究人員確定，僅在20世紀(jì)下半葉，被瘋狗浪帶走的貨船就有20多艘，500多人為之喪生。

德羅普尼爾巨浪的現(xiàn)形刺激了物理學(xué)家，他們立志要查清楚這些龐然大物究竟是如何形成的。經(jīng)過長(zhǎng)期研究，科學(xué)界產(chǎn)生了兩種關(guān)于瘋狗浪演化的思想流派。一種觀點(diǎn)認(rèn)為是波浪疊加，即一組聳起的浪頭以不同的速度前移，也就是幾個(gè)獨(dú)立的波以不同的速度傳播，但波的組成部分始終是起獨(dú)立作用，某一時(shí)刻，大量波浪恰巧重疊起來，就會(huì)產(chǎn)生瘋狗浪;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為波浪相互作用的方式比較復(fù)雜，它們可以相互作用，它們之間的能量也可以相互轉(zhuǎn)化，這些相互作用可以協(xié)力產(chǎn)生瘋狗浪。前者為線性加法，后者為非線性聚焦。

現(xiàn)實(shí)中，這兩種解釋都有道理，但是，線性加法雖然能解釋一部分瘋狗浪，可是低估了特殊情況下的可能性，所以非線性聚焦更加有效。在某些情況下，兩種解釋機(jī)制如果達(dá)成統(tǒng)一，理論上就會(huì)將波浪推至一個(gè)令人難以置信的高度。

不過，最近一群應(yīng)用數(shù)學(xué)家另辟蹊徑，轉(zhuǎn)而研究如何預(yù)測(cè)瘋狗浪。紐約大學(xué)埃里克·范登·艾恩登教授建立了一個(gè)統(tǒng)計(jì)框架，開發(fā)出“一刀切”的模型。這一模型預(yù)測(cè)了任何瘋狗浪發(fā)生的概率，卻不在乎它是怎么發(fā)生的。

艾恩登解釋說，統(tǒng)一描述瘋狗浪的訣竅是理解極端罕見的事件有其自己的邏輯，你可以用最不罕見事件的概率，非常準(zhǔn)確地算出罕見事件的概率，也就是概率論中的大偏差理論。艾恩登研究小組推斷，波濤洶涌的大洋正是見證大偏差理論的完美劇場(chǎng)。一個(gè)小小的波浪可能由多種方式形成，而瘋狗浪尤為特殊。如果你碰巧看見，你將會(huì)意識(shí)到只有天時(shí)、地利、人和的時(shí)候，才能造就這樣一個(gè)巨浪。

為此，艾恩登團(tuán)隊(duì)用數(shù)值模擬的波浪測(cè)試了他們的理論框架，讓計(jì)算機(jī)生成滿足了某些海洋狀態(tài)的隨機(jī)波浪，然后觀察每片海洋如何演變與非線性薛定諤方程的聯(lián)系，并使用大偏差理論預(yù)測(cè)哪片海洋最有可能產(chǎn)生巨型波浪。正如他們希望的那樣，他們發(fā)現(xiàn)對(duì)于給定類型的數(shù)值模擬海洋，只有在一種特定模式時(shí)才會(huì)從初始波紋變成瘋狗浪。

之后，艾恩登團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了實(shí)體波浪實(shí)驗(yàn)，在愛丁堡大學(xué)的海洋研究機(jī)構(gòu)“重建”了德羅普尼爾巨浪。該研究設(shè)施由近270米長(zhǎng)的水槽和168個(gè)造浪器等組成，每個(gè)海洋都由造浪器隨機(jī)產(chǎn)生。研究小組記錄了典型波浪高度的高階統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，不僅證明了一些瘋狗浪是線性的，一些是非線性的，也有兩者共存的，還與大偏差理論高度吻合。

大偏差理論可以歸結(jié)為優(yōu)化問題，該問題可以預(yù)測(cè)從最初的漣漪到最終巨浪的原型路徑。整個(gè)過程像演電影一樣逐漸展開，只有按照這一路徑才能達(dá)到最終的高度。而研究表明，實(shí)驗(yàn)中的最高波浪與該框架的預(yù)測(cè)完全吻合：在巨大的數(shù)據(jù)中，僅僅產(chǎn)生了300多個(gè)可視為瘋狗浪的波浪，而絕大多數(shù)情況下沒有產(chǎn)生。

然而，該框架也有局限性，因?yàn)樗鼪]有考慮洋流和風(fēng)等現(xiàn)象的影響，并且允許波浪增長(zhǎng)到任意高度，這是其依賴非線性薛定諤方程的結(jié)果。不過，研究者說，他們的工具是可以遷移的，并且非線性薛定諤方程可以被替換為其他波浪理論。隨著理論家們不斷完善工具，研究者們已經(jīng)開始在南極附近的海域檢驗(yàn)大偏差理論的正確性。

研究人員的終極目標(biāo)是開發(fā)出一種預(yù)測(cè)瘋狗浪的裝置。當(dāng)大偏差理論經(jīng)過修改適用于開放海洋后，這種裝置可以幫助水手們?cè)诏偣防嗣妊繝顟B(tài)時(shí)就發(fā)現(xiàn)它，并及時(shí)避開災(zāi)難。