Vào tháng 2 năm 1986, con tàu chở kháhc SS Spray đang đi dọc bờ biển phía đông nước Mĩ thì bất ngờ chạm trán một con sóng cao ước tính 17 m – con sóng thứ hai trong một hệ gồm ba con ‘sóng ma’ liên tiếp cao hơn nhiều so với những con sóng bình thường. Con tàu chịu một số tổn thất nhẹ và bị tràn nước – mặc dù hành khách và thủy thủ đoàn phải một phen bạt vía, nhưng tất cả người trên tàu đều bình an vô sự. Nay thì một đội vật lí quốc tế vừa nêu ra lời giải thích làm thế nào những con sóng khủng bố này có thể xuất hiện đột ngột giữa đại dương xa.
Các nhà hải dương học đã biết từ lâu rằng những con sóng như thế thịnh hành hơn trong vùng của những dòng hải lưu mạnh – trong trường hợp SS Spray là dòng Gulf Stream. Tuy nhiên, các nhà vật lí khó lí giải mối liên hệ vật lí giữa dòng hải lưu và các con sóng. Nhưng nay Miguel Onorato và các đồng sự tại trường Đại học Turin ở Italy và Đại học Công nghệ Swinburne ở Australia vừa thực hiện những mô phỏng trên máy tính cho thấy làm thế nào những con sóng ma này có thể hình thành khi những con sóng đại dương bình thường chạm phải một dòng hải lưu mạnh đang chảy theo hướng ngược lại.
Công trình trên xây dựng dựa trên quan điểm rằng một xung gồm ba hoặc bốn con sóng như vậy có thể mô tả trên phương diện toán học là một “breather”, đó là một nghiệm chính xác của phát triển Schrodinger phi tuyến (NLS). Không nhập nhằng gì với những anh em lượng tử của nó, NLS áp dụng cho vật lí cổ điển, trong đó có sóng nước và quang học.
Sóng ma có thể hình thành ở gần những dòng hải lưu mạnh. (Ảnh: iStockphoto.com/Mlenny)
Tập trung vào một breather
Đội nghiên cứu bắt đầu mô phỏng với loại sóng phẳng mà bạn gặp trên đại dwong – những đỉnh nhô lên với biên độ 2,5 m truyền đi theo một hướng nhất định. Những con sóng này sau đó gặp phải một dòng hải lưu chảy theo hướng ngược lại. Khi các sóng phẳng truyền từ vùng không có hải lưu sang vùng có hải lưu, chúng cắt qua một gradient dòng chảy. Các mô phỏng cho thấy sự chạm trán với gradient đó làm cho năng lượng của sóng phẳng tập trung vào một vùng nhỏ xíu. Sự tập trung này gây ra sự mất cân bằng ở sóng phẳng, làm kích hoạt sự xuất hiện của một breather.
Các mô phỏng cho thấy sự hình thành breather có thể xảy ra khi những sóng phẳng có chu kì khoảng 10 s – một điều kiện điển hình trong một cơn bão – gặp phải một dòng hải lưu chảy đi ở tốc độ khoảng 1,5 m/s, một tốc độ không phải không có đối với các dòng hải lưu.
Efim Pelinovsky thuộc Viện Vật lí Ứng dụng tại Viện Hàn lâm Khoa học Nga đồng ý với phân tích của đội nghiên cứu trên về cách thức các breather có thể hình thành, và ông cho biết rằng quá trình trên có xảy ra trong những vùng có gió thường niên thổi ngược chiều với dòng hải lưu. Điều kiện này thường thấy phổ biến ở Ấn Độ Dương ngoài khơi Nam Phi, nơi dòng Agulhas lâu nay vẫn xuất hiện cùng với những con sóng ma.
Onorato phát biểu rằng các nhà nghiên cứu ở Tokyo đã thực hiện những thí nghiệm trong bể sóng phỏng theo các mô phỏng trên. Vì NLS còn áp dụng trong quang học, nên Onorato cho biết hiệu ứng trên cũng sẽ thấy trong các thí nghiệm với ánh sáng. Thay cho một dòng hải lưu, một breather sẽ hình thành khi sóng ánh sáng đi qua một sợi quang mà theo đó những tính chất phi tuyến nhất định biến thiên từ từ.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Phys. Rev. Lett. 107 184502.
Nguồn: physicsworld.com
