Toán học lý giải những con sóng độc

Từng bị coi là chuyện hoang đường của biển cả, sóng độc sừng sững và bất thình lình xuất hiện, là hiểm họa nghiêm trọng cho tàu biển. Ngày nay, các nhà khoa học đang phát triển các phương pháp để dự đoán chúng trước khi chúng tấn công.

Năm 1826, thuyền trưởng Jules Dumont d’Urville, nhà khoa học và sỹ quan hải quân người Pháp, mắc phải một cơn bão dữ dội khi đang vượt Ấn Độ Dương. Ông thấy một bức tường nước vươn cao hơn 30 m so với con tàu Astrolabe của mình. Nó là một trong vài con sóng cao hơn 25 m mà ông chứng kiến trong cơn bão. Một thủy thủ của tàu bị rơi xuống biển. Thế nhưng khi Dumont d’Urville quay lại được đất liền, dù được ba nhân chứng xác nhận, câu chuyện của ông vẫn quá kỳ dị và bị coi là chuyện tưởng tượng.

Các nhà khoa học thời đó tin rằng sóng biển chỉ có thể cao được đến khoảng 10 m, vì vậy những báo cáo lẻ tẻ trong thế kỷ 19 về những con sóng khổng lồ giữa đại dương nói chung bị gạt đi như những chuyện hoang đường của người đi biển. Tận sau này các nhà khoa học mới nhận ra rằng những câu chuyện đó hiếm bởi nhiều người đi biển gặp những con “sóng độc” đó không sống sót để kể lại.

Ngày nay, sóng độc được định nghĩa là một con sóng cao ít nhất gấp đôi những con sóng quanh nó. Những cồn sóng khổng lồ này có thể đột nhiên xuất hiện và dường như từ trên trời rơi xuống. Có thành dựng đứng và một hõm sâu bên dưới, chúng trông giống như một bức tường mọc lên từ biển. Chúng có thể xuất hiện trong những cơn bão trong điều kiện biển động, nhưng cũng từng được gặp ở nơi biển lặng, một trong những lý do khiến chúng rất khó dự đoán.

Các nhà khoa học đã công nhận sóng độc là một hiện tượng có thật từ giữa những năm 1990, nhưng bảo vệ người đi biển khỏi chúng vẫn là một thách thức lớn. Dù tương đối hiếm, sóng độc có thể gây thiệt hại nặng nề và mất mát về người nếu chúng đánh phải một con tàu ở giữa biển. Giữa đại dương bao la, thật khó để gỡ rối được mớ tương tác giữa rất nhiều lực dẫn đến sóng độc. Gần đây, các nhà toán học đã kết hợp dữ liệu thực, được thu thập từ các phao theo dõi, với các mô hình thống kê để hiểu cái gì đã khiến hình thành những con sóng khổng lồ này. Công trình của họ mang đến hy vọng về khả năng dự đoán sóng độc trước khi chúng tấn công.

Sóng độc có thể hình thành trong chỉ “10 đến 15 giây khi biển động”, Fedele nói. “Dự đoán nhanh và chính xác trong khoảng thời gian ngắn ngủi như vậy vẫn là một điều khó khăn”.

Sóng lớn lên như thế nào

Cùng với sự tiến bộ của công nghệ đóng tàu trong thế kỷ 20, ngày càng có nhiều nhân chứng sống sót sau sóng độc. Tháng 4/1966, tàu viễn dương Michelangelo của nước Ý gặp phải một con sóng cao 25 m, vượt hẳn lên những con sóng do bão gây ra xung quanh nó. Con tàu bị hư hỏng đáng kể và ba người thiệt mạng, nhưng hầu hết mọi người trên tàu đều cập bến an toàn.

Những thủy thủ trên tàu công-ten-nơ MS München của Đức thì không được may mắn như vậy. Tháng 12/1978, nó rời thành phố cảng Bremerhaven của nước Đức để đến Savannah, bang Georgia, Mỹ, mang theo các thùng thép và thủy thủ đoàn 28 người. Sau khi báo thời tiết xấu và gửi tín hiệu cứu nạn vào sáng sớm ngày 13/12, con tàu và toàn bộ thủy thủ đoàn biến mất. Người ta tìm thấy một xuồng cứu sinh vốn được treo cách mặt nước 20 m, nhưng có vẻ như nó đã bị giật khỏi chỗ treo, có khả năng bởi một con sóng cao ít nhất đến độ cao đó.

Sự hoài nghi của giới khoa học đối với những con sóng khổng lồ bí hiểm này vẫn chưa hoàn toàn bị xóa cho đến năm 1995, khi một con sóng độc đánh vào Draupner, dàn khoan khí thiên nhiên ở Bắc Hải, ngoài khơi Na Uy. Đỉnh sóng, được đo bằng một máy đo khoảng cách bằng laser trên dàn khoan, cao gần 26m.

Từ đó đến nay, các nhà khoa học đã nhận ra rằng không như sóng thần, được hình thành từ sự dịch chuyển đột ngột của một khối nước lớn bởi một sự kiện như động đất hoặc sạt lở, sóng độc được hình thành từ sự kết hợp ngẫu nhiên của những chuyển động sóng trong khắp đại dương.

Có hai lý thuyết toán học chính để giải thích những chuyển động sóng tạo ra sóng độc: tổng tuyến tính và tập trung phi tuyến tính. Thuyết tổng tuyến tính cho rằng các con sóng di chuyển trong đại dương với tốc độ khác nhau, và khi chồng lên nhau, chúng có thể mạnh lên thành một con sóng độc. Thuyết tập trung phi tuyến tính cho rằng sóng di chuyển theo nhóm và có thể chuyển năng lượng cho nhau, đôi khi tạo ra một con sóng độc.

Có sự bất định một phần vì sóng độc hiếm xảy ra. Dữ liệu theo dõi có chất lượng vẫn luôn khan hiếm, thậm chí đến tận ngày nay.

“Thường thì sóng độc được đo bởi các phao đo, chúng ghi lại dữ liệu đo theo thời gian tại một điểm nhất định mà không hề có thông tin về những gì đã hoặc sẽ xảy ra”, Amin Chabchoub, nhà vật lý nghiên cứu về sóng tại Đại học Sydney, Australia, cho biết. Một nghiên cứu năm 2019 do Chabchoub làm trưởng nhóm đã đánh giá một số quan sát và mô hình sóng độc, và nhóm kết luận rằng cơ chế kích động sóng độc có thể thay đổi, phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau trên biển tại mỗi thời điểm, tức là trạng thái biển.

Để bù đắp cho số lượng quan sát ít ỏi, các nhà khoa học dựa vào các bồn tạo sóng. “Kết quả dựng lại trong phòng thí nghiệm bắt chước gần như một-một những gì xảy ra trên mặt đại dương”, Chabchoub nói. Những thí nghiệm này thậm chí có thể tính đến dòng chảy và gió, mặc dù các thiết lập bị kiểm soát cũng có những hạn chế riêng của chúng.

Khi nước bị giữ trong một kênh hẹp như bồn tạo sóng, những con sóng lớn dễ được hình thành và quan sát hơn nhiều. Tuy nhiên, những thí nghiệm này thể hiện một “kịch bản không thực tế” vì sóng không thể tỏa ra mọi hướng như trên biển, theo Francesco Fedele, kỹ sư hải dương tại Viện Công  nghệ Georgia.

Cơ quan Đại dương và Khí quyển Mỹ (NOAA) đang phát triển một hệ thống dự báo theo giờ các khu vực có nguy cơ của đại dương, sử dụng một chương trình có tên WAVEWATCH III. Phiên bản mới nhất, được phát hành năm 2019, sử dụng một công thức xác suất được Fedele phát triển vào năm 2012 để dự đoán các điều kiện cực đoan trên đại dương tại một vị trí và thời gian xác định. Nó là một công cụ hữu ích để giúp những người đi biển tránh những vùng biển nguy hiểm, nhưng chưa đủ để bảo vệ họ khỏi những con sóng độc xuất hiện thình lình.

Johannes Gemmrich, nhà nghiên cứu tại Đại học Victoria, Canada, người đã phân tích con sóng độc năm 2020 ở gần đảo Vancouver, nói rằng sóng độc thường được sinh ra khi nhiều con sóng di chuyển ở các tốc độ khác nhau và thỉnh thoảng chồng lên nhau. Điều này ủng hộ mô hình tổng tuyến tính. Nhưng ông tin rằng sự bất đối xứng của sóng – khi sóng có đỉnh cao và hõm thấp – cũng có vai trò cốt yếu.

“Nếu ta cho phép sự bất đối xứng mạnh hơn, xác suất có sóng độc cực đại tăng mạnh”, Gemmrich nói.

Công thức tổng quát cho biển

Một trường phái các nhà toán học nói rằng cái gì tạo ra sóng độc không quan trọng, vì người ta vẫn có thể dự đoán sóng độc một cách khá chính xác bằng cách sử dụng một lý thuyết thống kê cho các sự kiện hiếm gọi là lý thuyết độ lệch lớn.

Ý tưởng đằng sau phương pháp này là mô hình hóa cách hiệu quả nhất để tạo ra một con sóng độc, rồi dùng mô hình đó để vẽ đường phát triển của một con sóng độc nào đó. Lý thuyết có thể xét các hiệu ứng tuyến tính và phi tuyến tính tùy vào tình huống, do đó những người ủng hộ coi nó là một lý thuyết hợp nhất, một lý thuyết có thể được sử dụng để dự đoán sóng độc trong những điều kiện đại dương khác nhau.

“Nếu chỉ nhìn vào cách hiệu quả nhất để tạo thành những con sóng này, nó trùng với những con sóng thật được quan sát”, Tobias Grafke, nhà toán học tại Đại học Warwick, Anh, nói.

Grafke cùng với một nhóm nghiên cứu kiểm tra lý thuyết này trong các kênh tạo sóng, đo và so sánh các kết quả với các quan sát thời gian thực về sóng, và nhận thấy rằng phương pháp này có thể dự đoán sóng độc tốt một cách đáng ngạc nhiên trong cả hai giả thuyết.

Mặc dù vậy, một vấn đề của phương pháp này là vô cùng khó mà tính đến được tất cả các yếu tố trạng thái biển tại từng thời điểm. Đối với một thuyền trưởng, thông tin dự báo hữu ích nhất cần được rút ra từ các quan sát trong thời gian thực chứ không phải từ các xác suất thống kê. Grafke nói rằng công thức của nhóm ông có thể tính đến những đặc điểm riêng của một trạng thái biển cho trước, nhưng càng đưa vào nhiều biến thì càng khó để giải nhanh mô hình.

“Phương trình càng phức tạp thì dự đoán càng chính xác, công sức và thời gian tính toán càng lớn”, Chabchoub nói. “Vì vậy có sự đánh đổi giữa độ chính xác và thời gian để thu được kết quả có ích”.

Dự đoán trong thời gian thực

Các nhà khoa học đang tiến tới công nghệ dự đoán sóng trong thời gian thực, nhưng những cách tiếp cận mới cần được kiểm nghiệm trong các điều kiện thực tế – đây là một thách thức bởi sóng độc hiếm khi xuất hiện. Trong nhiều trường hợp, quá trình tính toán cần được tăng cường để theo được tốc độ của sóng.

Sóng độc có thể hình thành trong chỉ “10 đến 15 giây khi biển động”, Fedele nói. “Dự đoán nhanh và chính xác trong khoảng thời gian ngắn ngủi như vậy vẫn là một điều khó khăn”.

Để dự đoán một con sóng độc, các nhà khoa học sẽ cần một hệ thống radar để liên tục đo sóng ở gần một con tàu, sao cho họ có thể đưa dữ liệu vào một mô hình toán học để vẽ một bức tranh bề mặt đại dương tại thời điểm đó. Một mô hình cứ năm phút lại tính được một bề mặt mới sẽ cho một dự đoán tương đối chính xác về tiến triển của sóng trong một vài phút tiếp theo.

Một hệ thống như vậy vẫn chưa thành hiện thực. “Công nghệ thì đã có. Câu hỏi là: Làm sao để tăng tốc dự báo?” Fedele nói.

Khi ngày càng có nhiều con sóng độc được đo, các nhà toán học có thể rốt cuộc sẽ tìm ra một cách báo trước những con sóng chết người này trước khi chúng vươn lên khỏi đại dương – một công nghệ mà thời 1826, thuyền trưởng Dumont d’Urville chỉ có thể thấy trong mơ.□

Nguyễn Hoàng Thạch dịch

Nguồn bài và ảnh: https://www.nationalgeographic.com/science/article/mathematicians-may-soon-be-able-to-predict-enormous-rogue-waves