O que explica as ondas gigantes no Mar do Norte: dados da plataforma Ekofisk

As ondas gigantes têm fascinado marinheiros e cientistas há décadas. Tratam-se de ondas enormes e isoladas que surgem de forma repentina em pleno oceano.

Estes colossos difíceis de explicar são fugazes: normalmente duram menos de um minuto antes de se dissiparem. Podem atingir 20 metros (65 pés) ou mais e, muitas vezes, ultrapassam em mais do dobro a altura das ondas em redor. Durante muito tempo vistas como um mito náutico, as ondas gigantes já foram observadas em vários pontos do planeta. Por serem tão altas e energéticas, podem representar um risco sério para navios e estruturas offshore.

Para repensar o que são as ondas gigantes e o que as provoca, reuni uma equipa internacional de investigadores. O nosso estudo, publicado na revista Nature Scientific Reports, clarifica estes gigantes do oceano com base no conjunto de dados mais abrangente do seu género.

Ao analisarmos 18 anos de medições laser de alta frequência na plataforma petrolífera de Ekofisk, no centro do Mar do Norte, chegámos a uma conclusão inesperada: as ondas gigantes não são meras “anomalias” raríssimas. Elas podem emergir a partir das leis naturais do mar. Não são místicas - são, em certa medida, simples.

27 500 estados do mar

Examinámos quase 27 500 registos de ondas com duração de meia hora - os chamados estados do mar - recolhidos entre 2003 e 2020 no centro do Mar do Norte. Estas medições, feitas a cada 30 minutos, descrevem quanto a superfície do mar se elevou face ao nível médio do mar. O conjunto inclui tempestades importantes, como o evento da onda Andrea em 2007.

Em condições habituais, as ondas formam-se quando o vento sopra sobre a superfície do mar. É semelhante ao que acontece quando se sopra sobre uma chávena de café e se criam pequenas ondulações à superfície. No oceano, com espaço e tempo suficientes, essas ondulações podem crescer e transformar-se em ondas grandes.

O nosso foco foi perceber porque é que, de repente, algumas ondas “se tornam gigantes” e se elevam muito acima das vizinhas. Uma explicação proposta baseia-se na instabilidade modulacional, um fenómeno descrito por modelos matemáticos complexos. Já revi esses modelos no passado, e o meu trabalho indica que esta hipótese não explica totalmente o que gera ondas gigantes no oceano aberto.

Quando as ondas ficam confinadas a um canal estreito, a teoria da instabilidade modulacional descreve bem o seu comportamento ondulatório. Contudo, ao olharmos para o oceano real, a teoria começa a falhar. Em ambientes abertos como o Mar do Norte, as ondas podem propagar-se livremente a partir de várias direções.

Para perceber a diferença, imagine uma multidão a sair de um estádio após um jogo de futebol. Se a saída for um corredor comprido, estreito e com paredes altas, as pessoas ficam obrigadas a avançar praticamente numa única direção. Quem vem atrás empurra, e alguns podem até subir por cima de outros, acumulando-se entre as paredes que as comprimem. Esse amontoamento catastrófico seria análogo a uma onda gigante, causada pelo confinamento.

Se, pelo contrário, a saída do estádio der para um campo amplo, os espectadores espalham-se em todas as direções. Com espaço para se dispersarem, deixam de se empurrar e evitam acumulações.

Da mesma forma, em laboratório é possível gerar ondas gigantes num canal confinado, onde obedecem à instabilidade modulacional. Mas sem a “prisão” de um canal, as ondas gigantes tendem a não seguir essa física, nem a formar-se do mesmo modo em mar aberto.

A nossa equipa percebeu que era essencial estudar diretamente o oceano aberto para compreender o que realmente se passava. Os dados reais do Mar do Norte analisados pela minha equipa não encaixam na instabilidade modulacional - contam outra história.

É apenas um mau dia no mar

Aplicámos técnicas estatísticas aos registos de estados do mar para detetar padrões por trás destes episódios raros. Os resultados indicam que, em vez de instabilidade modulacional, as ondas extremas observadas terão sido formadas com maior probabilidade por um processo chamado interferência construtiva.

A interferência construtiva ocorre quando duas ou mais ondas se alinham e se somam, originando uma onda maior. Este efeito é intensificado pela assimetria natural das ondas do mar - as cristas tendem a ser mais agudas e inclinadas do que os vales, que são mais planos.

As ondas gigantes surgem quando muitas ondas menores se alinham e as suas cristas mais íngremes começam a “empilhar-se”, construindo uma única onda maciça que, por instantes, se ergue muito acima do mar em redor. Para uma viagem tranquila se transformar num mau dia no mar, basta um momento em que várias ondas comuns convergem e se sobrepõem.

Estas ondas gigantes sobem e descem em menos de um minuto, seguindo o que se designa por um padrão “quase determinístico” no espaço e no tempo. É um tipo de padrão identificável e repetível, mas com um toque de aleatoriedade.

Num oceano idealizado, essa aleatoriedade quase desapareceria, o que permitiria que as ondas gigantes crescessem até alturas praticamente infinitas. Em contrapartida, levaria uma eternidade a observar uma dessas ondas, porque seria necessário um alinhamento perfeito de um número enorme de ondas - como esperar que Fortuna, a deusa do acaso, lançasse um bilião de dados e que quase todos mostrassem o mesmo número.

No oceano real, a própria natureza limita o tamanho máximo de uma onda gigante através da rebentação. À medida que a onda aumenta em altura e energia, chega a um ponto a partir do qual já não consegue manter-se estável. A crista verte e rebenta em espuma - a chamada crista branca - libertando o excesso de energia.

O padrão quase determinístico por trás das ondas gigantes

As ondas gigantes não são exclusivas do mar. A interferência construtiva pode ocorrer em muitos tipos de ondas. Uma teoria geral conhecida como quase-determinismo das ondas, desenvolvida pelo oceanógrafo Paolo Boccotti, descreve 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 na água que, por momentos, crescem em tamanho 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 muito grande, as ondas à sua volta seguem um padrão reconhecível, criado pela 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 - uma impressão digital - sob a forma de um grupo de ondas, que pode revelar como o evento extremo ganhou vida. Pense num grupo de ondas como um pequeno “pacote” de ondas que se desloca em conjunto: elevam-se, atingem um pico e depois desaparecem, impulsionadas pela interferência construtiva. Ao seguir estes grupos de ondas, os investigadores conseguem compreender o quadro mais amplo do evento à medida que ele se desenvolve.

Como exemplo, uma tempestade intensa atingiu o Mar do Norte a 24 de novembro de 2023. Uma câmara na plataforma de Ekofisk registou uma onda gigante 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 mostrou que o evento seguiu essas teorias - quase-determinismo e interferência construtiva - e resultou do empilhamento repetido de várias ondas mais pequenas.

Compreender 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, Instituto de Tecnologia da Geórgia

Este artigo foi republicado de A Conversa ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.