Robert Hofrichter: Tajemnicze życie oceanów

W opowiadaniach marynarzy istnieją od dawna. Kaventsmann, olbrzymia pojedyncza fala, która przychodzi znikąd i wielokrotnie przekracza wysokość zwykłych fal, „trzy siostry" ? trzy następujące krótko jedna po drugiej wyraźnie wyższe fale, a także „biała ściana", nadzwyczaj stroma, niemal pionowa fala, która może mieć szerokość wielu kilometrów. Jednak czy wszystkie te postrachy nie były jedynie elementami ubarwiającymi morskie opowieści? Podkoloryzowanymi relacjami marynarzy, którzy spędzali zbyt wiele czasu na morzu, w izolacji od świata, sam na sam ze swoimi fantazjami, i dlatego wyolbrzymiali swoje przeżycia, tak że lwy morskie stawały się syrenami, a wielkie fale zachłannymi monstrami?

Nie wszyscy mieli tyle szczęścia...

Poczułem oddech Boga". Kiedy 22 lutego 2001 roku kapitan Heinz Aye zapisał to zdanie w dzienniku okrętowym statku wycieczkowego „Bremen", już od dłuższego czasu było jasne, że opowieści dawnych żeglarzy nie są jedynie wytworem ich fantazji. Owe monstrualne fale istniały naprawdę ? taka właśnie wysoka na 35 metrów ściana wody trafiła w statek kapitana Heinza, wcisnęła do środka okna w kapitańskim mostku i zalała jego wnętrze. Kapitan i jego pierwszy oficer ledwie uszli z życiem.

Kilka lat wcześniej, 11 września 1995 roku, w podobnej sytuacji znalazł się jeden z najsłynniejszych statków świata – „Queen Elizabeth II" ? podczas rejsu przez Atlantyk do Nowego Jorku. „Zauważyliśmy sunącą na nas białą olbrzymią falę. Wyglądało to tak, jakbyśmy kierowali się na kredowe klify Dover", relacjonował kapitan Ronald Warwick. Także w tym przypadku położony na wysokości 29 metrów mostek kapitański został zalany. Ale oba wspomniane statki pozostały nienaruszone, a załoga i pasażerowie jedynie najedli się strachu.

Nie wszyscy jednak mieli tyle szczęścia. W lipcu 1909 roku niedaleko Afryki Południowej zniknął brytyjski parowiec „Waratah" – 211 osób uznano za zaginione. „Majestic", jeden z największych statków swoich czasów, w 1934 roku zderzył się na północnym Atlantyku z monstrualną falą; kapitan, który znajdował się na położonym 30 metrów nad poziomem morza mostku kapitańskim, został ciężko ranny. W 1966 roku luksusowy liniowiec „Michelangelo" płynął przez Atlantyk do Nowego Jorku. Kiedy u kresu podróży przepływał koło Statuy Wolności, troje pasażerów nie żyło, kilkudziesięciu było rannych, a mierzący ponad 270 metrów statek był poważnie uszkodzony. Załoga opowiadała o 25-metrowej pojedynczej fali. W grudniu 1978 roku podczas silnego sztormu na północnym Atlantyku zniknął niemiecki frachtowiec „München". Chociaż wszczęto szeroko zakrojoną akcję poszukiwawczą – 110 statków i 13 samolotów przez wiele dni przeczesywało rozległy obszar wokół ostatniej domniemanej pozycji statku – znaleziono tylko nieliczne elementy ładunku, kilka pobrudzonych olejem, niewykorzystanych tratw ratunkowych oraz resztki łodzi ratunkowej. Bolce, za pomocą których łódź była zawieszona na wysokości 20 metrów na żurawikach, zostały całkowicie wygięte; w nadbudówki, które w przypadku tego typu statku znajdują się w przedniej części jednostki, musiał uderzyć potężny grzywacz (rodzaj fali) i wręcz zmieść je z pokładu wraz z mostkiem kapitańskim.

To zestawienie można kontynuować. Jesienią 2002 roku tankowiec „Prestige", pozbawiony możliwości manewrowania, poszedł na dno. Doszło do wielkiego wycieku przewożonego ciężkiego oleju napędowego i katastrofy ekologicznej. Duży fragment europejskiego wybrzeża Atlantyku został zanieczyszczony i zniszczony. W styczniu 2005 roku na północnym Pacyfiku to samo spotkało statek „Explorer" z 650 studentami na pokładzie, w lutym 2005 roku – „Voyagera" na Morzu Śródziemnym koło wyspy Minorka. „Norwegian Dawn", długi na 300 metrów statek wycieczkowy, w kwietniu 2005 roku zderzył się na Atlantyku koło Florydy z falą o wysokości co najmniej 21 metrów. W listopadzie 2006 roku 45 kilometrów na północ od Borkum na Morzu Północnym co najmniej 20-, ale przypuszczalnie nawet 25-metrowa fala zniszczyła położony na wysokości 15 metrów pokład platformy badawczej „Fino". „Jeszcze kilka lat temu powiedziałbym, że to niemożliwe, by taka fala pojawiła się na Morzu Północnym", stwierdził Wolfgang Rosenthal, współpracownik Gesellschaft für Sicherheit im Seeverkehr (Towarzystwa dla Bezpieczeństwa w Żegludze Morskiej).

Radary nad oceanem

Olbrzymie fale, dziś już to wiemy, mogą powstawać wszędzie, zarówno na dzikim północnym Atlantyku, jak i na Morzu Śródziemnym lub Morzu Północnym.

Od ostatniego dziesięciolecia XX wieku ? między innymi dlatego, że ich ofiarami padają platformy wiertnicze – monstrualne fale przyciągają uwagę oceanografów. Coraz lepsze metody pomiarowe wydobywają na światło dzienne zdumiewające fakty. Im więcej wiemy o rogue waves, tym bardziej oczywiste staje się na przykład, jak często się pojawiają. Wśród 3,9 miliona fal zarejestrowanych podczas badań w pobliżu brazylijskiego wybrzeża 442 były falami olbrzymimi. „Monstrualne fale występują zdecydowanie częściej, niż to się dotychczas wydawało", stwierdzają Anne-Karin Magnusson z Norweskiego Instytutu Meteorologicznego w Bergen i Mark Donelan z Uniwersytetu w Miami. Muszą to wiedzieć, ponieważ przeanalizowali dane pomiarowe zgromadzone przez sensory laserowe norweskich platform wiertniczych na polu naftowym Ekofisk. Tutaj od 2003 roku wysokość fal przy instalacjach wydobywczych jest mierzona przez cztery lasery pięć razy na sekundę. Tylko podczas sztormu 9 listopada 2007 roku przeanalizowano 13 535 bałwanów. Jeden spośród nich zdobył wyjątkową sławę wśród znawców ? tak zwana fala Andrea była jednym z najbardziej stromych bałwanów, jakie kiedykolwiek zmierzono. Od podstawy do wierzchołka miała niemal 21 metrów wysokości, 100 metrów szerokości i poruszała się z prędkością 64 kilometrów na godzinę! Andrea jednak nie jest wyjątkiem. „Nad każdym fragmentem morza raz na trzy tygodnie przemieszcza się stroma, monstrualna fala", stwierdzono w studium. Nieco ostrożniej ocenia sytuację Niemiecka Agencja Kosmiczna, która także poluje na monstrualne fale. Za pomocą satelitów radarowych jej współpracownicy badają powierzchnię oceanu. Z badań tych wynika, że na całym świecie tygodniowo z morza wynurzają się dwie, niekiedy nawet trzy ekstremalnie wysokie ściany wody.

Aby lepiej poznać rozwój monstrualnych fal i zrozumieć proces ich rozchodzenia się, powołano do życia finansowany przez UE projekt pod nazwą MaxWave. W jego ramach Ziemię okrąża wiele satelitów, które odnotowują fale występujące na oceanach. Także wieże i platformy wiertnicze wyposażono w nowoczesne urządzenia pomiarowe rejestrujące fale. Z pomocą tej techniki jest dziś możliwe opracowywanie prognoz fal i map fal, dzięki czemu żegluga może korzystać z ostrzeżeń przed rogue waves. Jeszcze niedawno prognozy takie pozostawały w sferze marzeń.

Zrozumieć fale

Jak więc powstają olbrzymie fale? Podręczniki gimnazjalne do fizyki mówią, że fala jest rozprzestrzeniającą się w przestrzeni zmianą, zaburzeniem lub oscylacją wielkości fizycznej zależnej od miejsca i czasu. Rozróżnia się fale mechaniczne, które są związane z ośrodkiem, takim jak na przykład woda, i elektromagnetyczne, które mogą się rozchodzić także w próżni. Fala transportuje energię, jednak nie przenosi żadnej materii, nawet jeśli podczas obserwowania fal wodnych można odnieść inne wrażenie. Kto pływał, ten wie, że surfować można dopiero na załamujących się falach, jednak nie podczas kołysania się ich grzbietów w górę i w dół.

Fale, które kołyszą się pionowo w stosunku do kierunku ich rozchodzenia się, nazywa się falami poprzecznymi; małe, nikłe fale, marszczące się na powierzchni wody przy łagodnie wiejącej bryzie, gdy morze jest całkiem spokojne, to fale kapilarne (fale napięcia powierzchniowego). W przypadku pierwszych można zmierzyć ich długość, wysokość i częstotliwość, w przypadku drugich to napięcie powierzchniowe wody kształtuje ich właściwości i rozchodzenie się. Jednak gdy wiatr się utrzymuje, w tych małych falach znajduje powierzchnię natarcia i spiętrza coraz wyższe góry. W którymś momencie kołysząca się w górę i w dół masa jest tak wielka, że zaczyna się ujawniać wpływ siły ciążenia – wszystkie nieco większe fale wodne to tak zwane fale grawitacyjne; ich rozchodzenie się jest napędzane przez przyspieszenie grawitacyjne.

Wyobrażamy sobie, że idealna fala wodna przypomina sinusoidę, jednak grzbiet i dolina fali nie mają tej samej formy ? grzbiet zawsze jest krótszy i bardziej stromy niż dolina. Warto wspomnieć o jeszcze innym interesującym fenomenie fizycznym: fale nie poruszają materii, a jednak ich grzebienie bezsprzecznie poruszają się do przodu, pod wpływem silnego wiatru nawet się rozbijają. Na otwartym oceanie podczas sztormów widuje się także grzywacze, które zazwyczaj występują tylko przy wybrzeżu, kiedy energia fal przy wdzieraniu się na ląd zostaje wyhamowana. Rzeczywiście na grzebieniach fal woda porusza się krótko do przodu, jednak cząsteczki powracają do swojego punktu wyjścia, ponieważ poruszają się wzdłuż w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali po torach okrężnych. Na grzebieniu fali suną do przodu, następnie w dół, a potem z powrotem. Sama fala wędruje dalej, podczas gdy jej nośniki ciągle rotują po okręgu.

A w jaki sposób fale przekształcają się we freak waves? Pierwsze badania olbrzymich fal wykazały, że szczególnie często występują one na obszarach, w których „normalne fale" napotykają prądy morskie i wiry wodne, na przykład prąd Agulhas przy południowo-wschodnim wybrzeżu Afryki Południowej czy Golfsztrom na północnym Atlantyku. Przypuszczano, że kiedy powolna fala zostanie dogoniona przez jedną lub kilka szybszych, mogą się one zsumować i utworzyć prawdziwą wodną górę.

W międzyczasie fizycy rozwinęli tę teorię: dwie faliste góry mogłyby się ze sobą spotkać i w wyniku konstruktywnej interferencji złączyć w falę o podwójnej wysokości. Do tego dochodzą tak zwane efekty nielinearne, które mogą powiększyć wysokość fali o dodatkowe 15 do 20 procent. By lepiej wyjaśnić to zjawisko, weźmy następujący przykład: kiedy skrzyżujemy strumienie wody z dwóch węży wodnych, uzyskamy wielki bałagan. Dwa strumienie wody nie przenikają się bowiem jak fale elektromagnetyczne w formie światła, lecz w miejscu ich spotkania woda rozpryskuje się we wszystkich kierunkach. To zjawisko nielinearne. Nie inaczej jest z falami wodnymi ? jedna fala odbiera energię drugiej i niczym pasożyt wysysa ją do samego końca. Na kilka chwil energia koncentruje się w olbrzymiej fali, by w następnym momencie znów się rozproszyć w otoczeniu. Olbrzymia fala nie trwa zatem zbyt długo, lecz jest niejako krótką chwilą w trakcie sztormu. Niewykluczone, że w powstawaniu gigantycznych fal pewną rolę odgrywają też inne zjawiska. Badacze przypuszczają, że monstrualne fale mogą być wywoływane przez uderzenia zimnego powietrza (na zdjęciach satelitarnych rozpoznaje się je jako charakterystyczne pierścieniowate komórki). W komórkach tych zimne pakiety powietrza szybko opadają na powierzchnię morza i prowadzą do wysokiego falowania. Kiedy jednak komórka się porusza, i to mniej więcej tak samo szybko, jak następuje falowanie, niejako pędzi morze przed sobą – wówczas wypiętrzają się monstrualne fale.

Utopiona cywilizacja

O ile nie mamy już najmniejszych wątpliwości co do istnienia monstrualnych fal, o tyle wciąż jeszcze zbyt dokładnie nie zrozumieliśmy mechanizmu ich powstawania – chyba że chodzi o falę, która ma określoną nazwę: tsunami. Także w przypadku tej fali woda jest ośrodkiem przenoszącym olbrzymie ilości energii. Jednak podczas gdy monstrualne fale (w większości) są wywoływanym przez wiatr zjawiskiem charakterystycznym dla najwyższych warstw oceanu, tsunami z reguły powstaje w wyniku nagłych ruchów dna morskiego podczas trzęsień ziemi lub podmorskich trzęsień ziemi, wybuchów wulkanów czy osunięć zbocza góry pod wodę. Cały słup wody istniejącej nad danym zjawiskiem przy dnie może przejąć uderzenie energii, którego na otwartym morzu prawie w ogóle się nie zauważa. Możemy płynąć łodzią wiosłową nad najgorszym tsunami wszech czasów, ale dopóki ocean pod nami jest wystarczająco głęboki, nawet tego nie zauważymy. Dlatego japońscy rybacy ochrzcili to zjawisko tsu-nami – „fala w porcie". Będąc na zewnątrz, na pełnym morzu, nie zauważali fali, a gdy wracali z połowu ryb do macierzystego portu, znajdowali wielkie spustoszenie. Fala tsunami może mieć setki kilometrów długości, a na otwartym morzu ? zaledwie około metra wysokości. Dopiero kiedy energia transportowana w morzu dociera w płytsze rejony, przy zetknięciu z gruntem zaczyna się tworzyć fala ujawniająca swą niszczycielską moc. Może się spiętrzyć olbrzymia ściana wody, która wdzierając się w głąb lądu, niesie zniszczenie i śmierć.

Moi przyjaciele przeżyli takie tsunami na Seszelach na Oceanie Indyjskim. Dużo pisano o wydarzeniach z 26 grudnia 2004 roku. Owiane złą sławą podwodne trzęsienie ziemi w rejonie Andamanów i Sumatry o magnitudzie 9,1 wprawiło Ocean Indyjski w kołysanie i wyekspediowało w drogę wielki impuls energii. Na drugą stronę oceanu fala dotarła wiele godzin później. Małżeństwo, o którym mowa, przebywało wtedy na północy wyspy Praslin, na swojej ulubionej plaży Anse Lazio ? raj w dosłownym znaczeniu tego słowa. Kwadrans wcześniej z fajką nurkowali pod powierzchnią wody, by podziwiać kolorowe ryby, rafy i młodziutkie rekiny, i nagle morze zaczęło się cofać. Ryby szamotały się w coraz płytszych kałużach, z których ludzie próbowali je ratować. Wciąż jednak niemal nikt nie zdawał sobie sprawy z niebezpieczeństwa, jakie grozi ludziom, gdy morze nagle się wycofuje. W końcu nastąpiło to, co musiało nastąpić: ocean wrócił ze straszliwym impetem. Większość ludzi z plaży woda porwała tylko do pobliskiego lasu namorzynowego, jednak trzy osoby zginęły.

Dalej na wschodzie skutki były o wiele gorsze: trzecie najsilniejsze z kiedykolwiek zarejestrowanych trzęsienie ziemi spowodowało gigantyczne tsunami, które pozbawiło życia 230 tysięcy ludzi, 110 tysięcy odniosło rany, a 1,7 miliona mieszkańców wybrzeża straciło dach nad głową.

Choć tsunami z drugiego dnia świąt Bożego Narodzenia 2004 roku było straszliwe, jego skala wydaje się stosunkowo łagodna w porównaniu z okresem prehistorycznym. Geolodzy mogą szczegółowo rekonstruować wydarzenia tego rodzaju na podstawie składu i kolejności warstw oraz tak zwanych tsunamitów. Ich ustalenia wykraczają daleko poza naszą wyobraźnię. Okazuje się, że w różne wybrzeża uderzały fale tsunami o wysokości od 300 do 400 metrów – na przykład 110 tysięcy lat temu gigantyczne tsunami dotarło do Hawajów, a około 8000 lat temu ? do wybrzeża norweskiego. Podczas tak zwanych osuwisk Storegga do basenu morza u wybrzeży Norwegii według szacunków badaczy zsunęło się 2800 kilometrów sześciennych materiału z szelfu kontynentalnego ? tsunami spowodowało niewyobrażalne zniszczenia w całym regionie. To przez to wydarzenie Wyspy Brytyjskie po ostatnim zlodowaceniu zostały ostatecznie oddzielone od kontynentu europejskiego.