Премия Российской академии наук имени Леонида Мандельштама присуждена исследователям «волн-убийц»

Решением экспертной комиссии Российской академии наук премией им. Л.И. Мандельштама за лучшие работы по физике и радиофизике в 2018 г. отмечен цикл публикаций по разработке физико-математических моделей «волн-убийц». Лауреатами премии стали сотрудники Института прикладной физики РАН (ИПФ РАН) профессор Ефим Пелиновский и профессор РАН Алексей Слюняев, а также д.ф.-м.н. Александр Дьяченко из Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН. Для ИПФ РАН особенно отрадно то, что за последние четыре наградных цикла этой премии (вручаемой 1 раз в 3 года) сотрудники института трижды были в числе лауреатов (http://www.ras.ru/about/awards/awdlist.aspx?awdid=71).

Какие волны – убийцы? Под волнами-убийцами понимают необычно высокие волны, возникающие на морской поверхности. К наиболее характерным свойствам таких волн относят неожиданность возникновения и скоротечность (https://bigenc.ru/physics/text/3954580). Можно сказать, что первой трудностью на пути решения проблемы «волн-убийц» стало признание их существования в действительности, а не только в воображении рассказчиков. В отличие от цунами, морские волны-убийцы относятся к ветровым волнам, их характерные длины составляют не более нескольких сотен метров. Волны-убийцы атаковали крупные танкеры, круизные лайнеры, нефтегазовые платформы. Аварии приводили к экологическому загрязнению обширных акваторий, сопровождались существенными повреждениями и даже затоплением кораблей и платформ, гибелью людей. Такие волны у берега способны смывать людей и имущество, повреждать волнозащитные сооружения.

Исследования лауреатов премии относятся к разработке физических механизмов, которые способны приводить к возникновению волн-убийц, определению ситуаций, когда такие механизмы наиболее действенны, анализу характерных сценариев возникновения волн-убийц и их характерных «портретов». Морские волны-убийцы могут быть вызваны взаимодействием с течениями и ветровым потоком, фокусировкой волн, бегущих с разными скоростями под разными направлениями, сложными эффектами самовоздействия и трансформации волн, включая взаимодействие солитоноподобных структур. Многие из этих механизмов являются общими для экстремальных волн любой физической природы. Предложенные теории были подкреплены данными специально проведенных лабораторных экспериментов и натурными наблюдениями.

Лауреатами были построены новые эффективные физико-математические модели. В частности, новая запись уравнений гидродинамики позволила радикально ускорить время численного расчета уравнений. Быстрое компьютерное моделирование волн на воде предлагается как альтернатива многолетнему накоплению инструментальных измерений волн в море. Исследователями было показано, что при определенных условиях на морской поверхности могут зарождаться и распространяться группы волн большой амплитуды (здесь вспоминается знаменитый «девятый вал»), из-за которых вероятность встретить неожиданно высокую волну возрастает в десятки-сотни раз.

Поскольку по итогам исследований покров таинственности над волнами-убийцами исчезает, они оказываются результатом действия понятных физических механизмов, то есть надежда, что появление волн-убийц на морской поверхности можно будет предсказывать. Здесь предлагается два вида прогноза: долгосрочный, когда определяются условия, при которых вероятность высоких волн возрастает, и оперативный – с помощью упреждающего на несколько минут расчета движения волн.

Изучение волн-убийц в ИПФ РАН ведется уже почти 20 лет, в последние годы – силами созданного сектора моделирования экстремальных волновых явлений в океане под руководством А.В. Слюняева. Проводимые исследования в разное время поддерживались программами РАН и грантами. В 2009-2013 годах ИПФ РАН выступал исполнителем проекта Европейского Союза «Разработки для обеспечения безопасности судов в экстремальных морях» в сотрудничестве с ведущими европейскими судостроительными верфями Meyer Werft и Estaleiros Navais Viana do Castelo и сертификационными обществами Det Norske Veritas и Germanischer Lloyd (ныне объединенное крупнейшее в мире классификационное общество DNV GL). Лауреатами премии выпущены первые в мире монографии на русском и английском языках с обзорами наблюдений, измерений и актуальных исследований волн-убийц.

Идеи и решения, примененные сначала для океанических волн-убийц, из-за родственности физических явлений используются теперь во многих областях физики и геофизики: внутренние и краевые волны в океане, капиллярные волны на поверхности воды, нелинейная оптика, астрофизическая плазма, Бозе-конденсат, метаматериалы, электроника и даже финансовые рынки. Несмотря на очевидный прогресс в понимании волн-убийц, эта тема продолжает быть на пике внимания физиков.