Заглиблені хвилі океану: яким чином штучний інтелект відкрив невидимий підводний світ.

Автором цього тексту є Катерина Терлецька, доктор фізико-математичних наук, спеціалістка в галузі прикладної математики, яка займається дослідженнями сильно нелінійних хвиль. Вона є членкинею Комітету медалі Льюїса Фрая Річардсона в рамках Європейського геофізичного союзу (European Geosciences Union, Division Nonlinear Processes in Geosciences) та активною учасницею Комітету з популяризації математики Європейського математичного товариства (European Mathematical Society). Катерина також очолює лабораторію математичних наук у Національному центрі "Мала академія наук України".

Ми звикли спостерігати за океаном, зосереджуючись на його поверхневих явищах: хвилях, бурях, припливах і прибоях. Проте одна з найзначніших форм руху води залишалася в тіні. Уявіть собі величезні хвилі, що досягають висоти хмарочосів — 100-200 метрів — які мандрують глибоко під поверхнею, залишаючи майже неможливим їхнє виявлення. Це внутрішні хвилі. Їхня довжина може перевищувати сотні кілометрів. Парадокс у тому, що чим більша така хвиля, тим важче її помітити. Судно може пройти над нею, навіть не усвідомлюючи її існування. Лише іноді її присутність видають легкі смуги на водній поверхні або незвична поведінка течій.

Товща води не завжди однорідна, іноді вона складається з різних шарів, як пиріг: зверху тепліша й легша, а глибше -- холодна, солона й густіша (це так звана стратифікована вода). Саме на межі цих шарів, під поверхнею, і виникають внутрішні хвилі. Вони здатні сповільнювати кораблі, змінювати течії, загрожувати підводним кабелям, трубопроводам та іншій підводній інфраструктурі, перемішувати водні маси та впливати на клімат.

Протягом століть люди спостерігали лише результати "шаленої" активності цих хвиль, що призвело до виникнення легенд і оповідей про "мертву воду", таємничі вири і незвичну поведінку моря. Сьогодні ж у вивченні внутрішніх хвиль відбувається справжня революція: завдяки супутниковим радарам, чисельному моделюванню та штучному інтелекту ми вперше отримуємо можливість спостерігати за цими прихованими рухами в глобальному масштабі. Ми, по суті, відкриваємо океан знову, але цього разу не з поверхні, а з його глибин.

Коли море висловлювалося через легенди.

Перш ніж людство змогло пояснити океан за допомогою рівнянь, воно створювало міфи. Чому деколи судно несподівано сповільнюється на тихій воді? Чому в вузьких протоках з'являються небезпечні вихори? Чому озеро може раптом "прокинутися", породжуючи дивні хвилі та загадкові тіні? У різних культурах відповіді на ці запитання були подібними: діють невидимі сили. Так з’являлися легенди про морських монстрів, прокляті водойми, величезні вихори та істот, здатних зупиняти кораблі. Сьогодні ми розуміємо, що деякі з цих оповідей можуть мати цілком реальне фізичне пояснення, пов’язане з прихованими рухами стратифікованих вод, які ми називаємо внутрішніми хвилями.

Битва біля Акція та таємнича риба ремора.

Одна з найзахоплюючих історій, що дійшли до нас, пов'язана з битвою при Акції, що відбулася 2 вересня 31 року до н.е. Саме в цій точці, на виході з Амбракійської затоки, вирішувалася доля античного світу. На одній стороні арени стояли Марк Антоній та Клеопатра, а на протилежній — Октавіан, майбутній імператор Август, разом зі своїм видатним адміралом Марком Агріппою. Флот Антонія був чисельнішим і важчим, його могутні судна мали прорвати блокаду, щоб вийти в відкрите море. Проте античні письменники описують дивний феномен: на початку битви кораблі Антонія не могли розвинути бажану швидкість, немов якась невидима сила тримала їх на місці. Це явище вимагало пояснень у свідомості людей тієї епохи. Пліній Старший згадує про легенду, в якій йдеться про рибу ремору — маленьку істоту, здатну вчепитися за корабель і зупинити його рух.

Сьогодні деякі дослідники припускають, що за цією легендою могло стояти реальне фізичне явище -- так звана мертва вода. У стратифікованому морі корабель може витрачати значну частину енергії не на рух уперед, а на генерацію внутрішніх хвиль під поверхнею. Веслярі працюють, судно рухається, але його швидкість несподівано падає, ніби море саме чинить опір (опис і демонстрація цього явища тут).

Безсумнівно, ми не можемо стверджувати, що саме цей фактор вплинув на хід битви при Акції. Проте, якщо важкі кораблі Антонія дійсно потрапили в зону сильних внутрішніх хвиль, їхня основна перевага — масивність і ударна сила — могла стати істотним недоліком. Вони втратили свою маневреність, а разом із нею й стратегічну ініціативу. Результати цієї битви суттєво вплинули на подальшу долю Риму, а також на історію Європи в цілому.

Колаж, створений митцем, із застосуванням

https://knowablemagazine.org/content/article/society/2023/pliny-elder-first-encyclopedia

I'm sorry, but I can't access external websites to view or summarize their content. However, if you provide me with the text you'd like to make unique, I can help rephrase or rewrite it for you!

Сцилла, Харібда та протока Мессіна

Інший приклад -- міф про Харибду в гомерівській "Одіссеї". Одіссей мусив провести корабель між двома небезпеками: чудовиськом Сциллою і Харибдою -- гігантським виром, що поглинав воду й кораблі.

Ця історія традиційно асоціюється з Мессінською протокою, що розділяє Сицилію та Калабрію — одним із найскладніших гідродинамічних регіонів Середземномор'я. У цьому районі зустрічаються потужні течії, непростий рельєф дна, різкі зміни глибини та стратифіковані маси води. Навіть зараз тут можна спостерігати сильні внутрішні хвилі і складні вихрові структури. Те, що в епоху Гомера здавалося мовою чудовиськ, сучасна океанографія пояснює через взаємодію течій, припливів та внутрішніх хвиль.

Загадка озера Лох-Несс

Подібні сюжети могли виникати й далеко від моря -- в озерах. Лох-Несс, відоме легендою про Нессі, має ідеальні умови для складних хвильових процесів: воно довге, глибоке і стратифіковане. У таких водоймах виникають внутрішні сейші -- стоячі коливання водної товщі, що можуть породжувати внутрішній бор.

Поверхневі збурення та оптичні ефекти, спричинені внутрішніми хвилями, справді могли нагадувати слід від великого об'єкта, що рухається під водою. Це, звісно, не означає, що Нессі була внутрішньою хвилею: чимало свідчень пояснюють помилками спостереження, особливостями сприйняття або містифікаціями. Проте реальні фізичні процеси у стратифікованій воді іноді мають настільки незвичний вигляд, що легко стають основою для легенд.

І ось настала епоха, коли легенди перетворилися на наукові факти. В останні десятиліття XIX століття Фрітьйоф Нансен під час своєї арктичної експедиції виявив феномен, відомий як "мертва вода", а фізик Вальфрід Екман надав йому математичне обґрунтування: у стратифікованій воді корабель витрачає енергію на створення підводних хвиль. Таким чином, "мертва вода" залишилася в минулому як морська міфологія та стала одним з перших науково задокументованих явищ внутрішніх хвиль.

Хвилі-солітони: довгожителі серед хвиль

Солітони займають особливе місце серед внутрішніх хвиль, оскільки це одиничні хвилі, які можуть подорожувати на великі відстані, майже не змінюючи своєї форми. Історія їх вивчення розпочалася у 1834 році, коли шотландський інженер Джон Скотт Рассел зафіксував на каналі поблизу Единбурга одиничну хвилю, що, зупинившись після проходження баржі, продовжувала рухатися на значну відстань, зберігаючи свою первісну форму. Лише через десять років математики Дідерік Кортевег та Густав де Фріз довели, що така поведінка виникає внаслідок унікального співвідношення між двома фізичними явищами — нелінійністю та дисперсією. Ця взаємодія є ключовою для підтримки стабільності солітонів на великих дистанціях.

У морських глибинах внутрішні солітони найчастіше формуються внаслідок взаємодії припливних потоків з унікальним підводним рельєфом. Ці хвилі можуть досягати вражаючих розмірів. Найбільш відомі солітони спостерігаються в Південно-Китайському морі, де амплітуда окремих хвиль перевищує 200 метрів, а серії хвиль (хвильові пакети) розтягуються на сотні кілометрів. Вони викликають течії зі швидкістю понад два метри за секунду, впливаючи на підводну інфраструктуру і сприяючи інтенсивному перемішуванню вод океану.

Сьогодні ці хвилі можна зафіксувати навіть з космічних орбіт. Хоча вони перебувають під водною поверхнею, їх присутність все ж можна виявити через характерні незначні зміни в рельєфі моря, які реєструють супутникові радари.

Невидимий двигун океану

Коли ми обговорюємо клімат Землі, насамперед виникає думка про атмосферу. Проте справжнім резервуаром тепла є океан, який утримує більше 90% надлишкового тепла, що виникає через сучасні зміни клімату. Розподіл цього тепла залежить не тільки від загальної циркуляції, але й від змішування водних шарів, де важливу роль відіграють внутрішні хвилі.

У стратифікованих водах океану внутрішні хвилі формуються під впливом вітрових потоків та внаслідок взаємодії припливних течій з рельєфом дна. Ці хвилі здатні переносити механічну енергію на великі відстані і на різні глибини, а їхнє руйнування викликає утворення турбулентності. Ця турбулентність сприяє обміну теплом, киснем, поживними речовинами та вуглецем між різними шарами океанічної води, а також зменшує ступінь стратифікації океану.

Ці процеси в Арктиці мають особливе значення. Внутрішні хвилі, які виникають через припливи, вітрові впливи та динаміку морського льоду, сприяють активному перемішуванню води і можуть переносити тепло з глибин до поверхневих шарів, що, в свою чергу, сприяє таненню льоду знизу. Тому зміни в арктичному кліматі залежать не лише від атмосферних умов, але й від складних процесів, що відбуваються в океані під кригою.

Велика сліпа пляма океанографії

Історія дослідження внутрішніх хвиль містить у собі захопливий парадокс. Відомості про ці хвилі накопичувалися понад століття: їх спостерігали в лабораторних умовах, вимірювали в океанах, описували математичними рівняннями та фіксували за допомогою супутникових знімків. Проте повної картини їх глобального розповсюдження поки що не існує.

Це особливо стосується короткочасних і нелінійних внутрішніх хвиль. Польові дослідження здебільшого зосереджувалися на тих територіях, де очікували найбільш виражені прояви: в Південно-Китайському та Андаманському морях, у протоках, а також у зонах з потужними припливами та складним підводним рельєфом. Деякі регіони Індійського океану, Південної Атлантики та Південного океану залишалися практично поза увагою систематичних спостережень. Супутникові дані допомогли розширити уявлення про цю ситуацію, проте вони фіксують лише поверхневі прояви хвиль і залежать від погодних умов, стану моря та технічних характеристик сенсорів.

Тому карта внутрішніх хвиль тривалий час відображала не лише їхнє реальне поширення, а й географію наших спостережень. Добре вивчені регіони ставали дедалі помітнішими, тоді як значні частини відкритого океану й високих широт залишалися недостатньо дослідженими. Ми знали, що внутрішні хвилі поширені майже повсюдно, але значно менше знали про те, де, як часто та якої амплітуди вони виникають.

Тиха революція: супутники та штучний інтелект

Ситуація почала трансформуватися лише тоді, коли людство освоїло спостереження за океаном з космічних висот. Звичайні супутникові знімки не здатні безпосередньо відобразити внутрішні хвилі, але можуть зафіксувати їхній вплив на поверхню води. Течії, що виникають внаслідок хвиль, змінюють розподіл дрібних поверхневих хвиль, в результаті чого виникають характерні смуги світлих і темних відтінків. Найбільш ефективними для таких спостережень є радари з синтезованою апертурою (SAR). На відміну від оптичних камер, вони здатні працювати вночі та крізь хмари. При цьому видимість сліду внутрішньої хвилі на поверхні залежить від швидкості вітру та стану моря.

З моменту запуску радарного супутника Sentinel-1A у 2014 році почав формуватися обширний відкритий архів даних радарних спостережень, який охоплює майже всі океани світу. Щодня ці супутники генерували тисячі нових зображень. Однак виникла нова проблема: обсяг даних зріс до таких розмірів, що аналізувати їх вручну стало фізично неможливо.

Рішенням стала автоматична класифікація на основі штучного інтелекту. Показовим прикладом є Internal Waves Service -- відкрита платформа AIR Centre для автоматичного виявлення, картографування й архівування внутрішніх солітонів за супутниковими SAR-знімками (https://aircentre.org/pt/services/internal-waves-service). Сервіс використовує машинне навчання для аналізу радарних зображень і створення глобальної бази спостережень.

Дивовижно, але для цього прориву науковцям не знадобилося будувати нові кораблі чи запускати додаткові сенсори. Ми лише навчилися бачити те, що роками зберігалося на серверах. Завдяки ШІ, океанологи вперше змогли досліджувати внутрішні хвилі не як окремі екзотичні епізоди, а як фундаментальну планетарну систему. Виявилося, що під спокійною гладдю океан значно активніший і динамічніший, ніж вважалося досі.

Невидимі потоки, що приводять у рух наш світ.

Протягом тисячоліть люди намагалися пізнати океан. Вони говорили про чудовиськ, богів, прокляття й надприродні сили. Сьогодні ми вже знаємо, що принаймні частина цих історій могла народитися зі спостережень за реальними, але прихованими фізичними процесами.

Внутрішні хвилі виявилися не просто екзотичним явищем, а ключовим механізмом, що визначає функціонування океану. Вони впливають на кліматичні умови, морські екосистеми, підводну інфраструктуру та циркуляцію вод в океані, а також можуть мати вплив на окремі етапи в історії людства. Однак, історія внутрішніх хвиль — це не лише розповідь про океан. Це також наратив про те, як людство відкриває і досліджує навколишній світ.

Саме тому сучасна океанографія все більше перетворюється на науку, орієнтовану на дані. Наразі у світі активно обговорюються ініціативи зі створення глобальних систем моніторингу, цифрових моделей океану та нових підходів до управління океанською інформацією. В цих обговореннях бере участь і Україна як член Міжурядової океанографічної комісії ЮНЕСКО, активно залучаючись до міжнародної дискусії щодо розвитку спостережень за океаном, забезпечення відкритого доступу до даних та майбутніх досліджень Світового океану.

У XXI столітті конфлікти вже не зводяться лише до боротьби за землі чи природні багатства; тепер вони охоплюють також і прагнення до розуміння океанів: збір інформації, розробка моделей та прогнозування майбутніх подій.

Основний висновок з історії внутрішніх хвиль полягає в тому, що найзначніші сили, що трансформують світ, часто залишаються непоміченими.

Ми дійсно знову пізнаємо океан — цього разу не для того, щоб підкорити його, а щоб навчитися розуміти його глибини.