As “ondas gigantes” (rogue waves) intrigam marinheiros e cientistas há décadas. São vagas isoladas e enormes que podem surgir de repente em mar aberto, mesmo quando tudo à volta parece dentro do normal.
O mais desconcertante é a rapidez com que aparecem e desaparecem: em geral duram menos de um minuto. Podem atingir 65 pés (20 metros) ou mais e, muitas vezes, ultrapassam em mais do dobro a altura das ondas vizinhas. Durante muito tempo foram tratadas como mito náutico, mas hoje já foram observadas em vários pontos do planeta. Pela sua altura e força, representam um risco real para navios e estruturas offshore.
Para repensar o que são estas ondas 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 o conjunto de dados mais completo do género.
Ao analisar 18 anos de medições laser de alta frequência da plataforma petrolífera Ekofisk, no centro do Mar do Norte, chegámos a uma conclusão surpreendente: as ondas gigantes não são apenas acidentes raríssimos. Elas podem surgir dentro das leis naturais do mar - não são misteriosas, mas relativamente simples.
27,500 sea states
Analisámos quase 27.500 registos de ondas de meia hora, ou sea states, recolhidos entre 2003 e 2020 no centro do Mar do Norte. Estes registos, feitos a cada 30 minutos, descrevem o quanto a superfície do mar se elevou face 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. É como quando se sopra sobre uma chávena de café e se criam pequenas ondulações. No mar, com tempo e espaço suficientes, essas ondulações podem crescer e transformar-se em ondas maiores.
O nosso foco foi perceber o que faz com que uma onda “se torne gigante” de repente e se eleve muito acima das suas vizinhas. Uma das teorias propostas baseia-se na instabilidade modulacional, um fenómeno descrito por modelos matemáticos complexos. No passado, revi esses modelos, e o meu trabalho sugere que essa teoria não explica por completo o que gera ondas gigantes em mar aberto.
Quando as ondas ficam “presas” num canal estreito, a teoria da instabilidade modulacional descreve bem o seu comportamento 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 ficam forçadas a avançar numa única direção. Quem vem atrás empurra, e alguns podem até subir por cima de outros, acumulando-se entre as paredes. Esse amontoado catastrófico lembraria uma onda gigante, causada pelo confinamento.
Pelo contrário, se a saída do estádio der para um campo aberto, a multidão dispersa em todas as direções. Não há a mesma pressão, e evita-se o “empilhamento”.
De forma semelhante, no laboratório, os investigadores conseguem gerar ondas gigantes num canal confinado, onde obedecem à instabilidade modulacional. Mas sem esse confinamento, as ondas gigantes geralmente não seguem essa física - nem se formam da mesma maneira em mar aberto.
A nossa equipa percebeu que tinha de estudar diretamente o oceano aberto para entender o que realmente se passa. Os dados reais do Mar do Norte que analisámos não encaixam na instabilidade modulacional - contam uma história diferente.
It's just a bad day at sea
Analisámos os registos dos estados do mar com técnicas estatísticas para identificar padrões por trás destes eventos raros. Os resultados indicam que, em vez de instabilidade modulacional, as ondas extremas observadas formaram-se mais provavelmente através de um processo chamado interferência construtiva.
A interferência construtiva acontece quando duas ou mais ondas se alinham e se combinam numa única onda maior. Este efeito é reforçado pela assimetria natural das ondas do mar - as cristas tendem a ser mais afiadas e íngremes do que os vales, que são mais suaves.
As ondas gigantes formam-se quando muitas ondas menores se alinham e as suas cristas mais inclinadas começam a “empilhar-se”, criando uma única onda massiva que, por instantes, se eleva muito acima do que a rodeia. Para um passeio tranquilo de barco virar um “mau dia no mar”, basta um momento em que várias ondas comuns convergem e se somam.
Estas ondas gigantes 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 identificável e repetível, mas com alguma aleatoriedade.
Num oceano idealizado, essa aleatoriedade quase desapareceria, permitindo que as ondas gigantes crescessem até alturas quase infinitas. Mas também seria preciso esperar uma eternidade para ver uma dessas ondas, porque seria necessário que um número enorme de ondas se alinhasse na perfeição - 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 limita o tamanho máximo de uma onda gigante através da rebentação. À medida que a onda cresce em altura e energia, chega a um ponto sem retorno: o topo derrama e rebenta em espuma (a chamada whitecap), libertando o excesso de energia.
The quasi-deterministic pattern behind rogue waves
As ondas gigantes não se limitam 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 gigantes se formam - tanto no oceano como noutros sistemas ondulatórios.
Por exemplo, em água turbulenta a escoar num canal confinado, uma onda gigante pode manifestar-se como um pico intenso e de curta duração nos vórtices - padrões de redemoinhos que, por instantes, crescem enquanto se deslocam para jusante.
Embora as ondas do mar pareçam imprevisíveis, a teoria de Boccotti mostra que as ondas extremas não são totalmente aleatórias. Quando se forma uma onda realmente grande, as ondas à sua volta seguem um padrão reconhecível, criado por interferência construtiva.
Aplicámos a teoria de Boccotti para identificar e caracterizar estes padrões nos registos medidos no Mar do Norte.
As ondas gigantes observadas nesses registos carregam uma espécie de assinatura, sob a forma de um grupo de ondas, que pode revelar como o evento nasceu. Pense num grupo de ondas como um pequeno “pacote” de ondas que viaja junto. Elas sobem, atingem um pico e depois esbatem-se por interferência construtiva. Acompanhar estes grupos ajuda os investigadores a ver o panorama completo de um evento extremo 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 Ekofisk registou uma onda gigante de 55 pés (17 metros). Apliquei a teoria do quase-determinismo e um modelo de IA para investigar a origem dessa onda extrema.
A minha análise mostrou que o evento seguiu essas teorias - quase-determinismo e interferência construtiva - e resultou do empilhamento repetido de várias ondas menores.
Reconhecer como as ondas gigantes se formam pode ajudar engenheiros e projetistas a construir navios e plataformas offshore mais seguros - e a prever melhor os riscos.
Francesco Fedele, Professor Associado de Engenharia Civil e Ambiental, Georgia Institute of Technology
Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
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