Ondas gigantes: a explicação simples para os gigantes do oceano

As ondas gigantes captam há décadas a atenção de marinheiros e cientistas. São ondas isoladas de grandes dimensões que surgem subitamente no oceano aberto.

Estes gigantes enigmáticos são efémeros e, em regra, duram menos de um minuto antes de desaparecerem. Podem atingir 65 pés (20 metros) de altura ou mais e, muitas vezes, ultrapassam o dobro da altura das ondas circundantes. Outrora consideradas um mito náutico, as ondas gigantes já foram observadas em todo o mundo. Devido à sua enorme altura e força, podem representar um risco para navios e estruturas offshore.

Para repensar o que são as ondas gigantes e as suas causas, reuni uma equipa internacional de investigadores. O nosso estudo, publicado na Nature Scientific Reports, esclarece estes gigantes oceânicos com base no conjunto de dados mais abrangente deste tipo.

Ao analisarmos 18 anos de medições laser de alta frequência realizadas na plataforma petrolífera de Ekofisk, no centro do Mar do Norte, chegámos a uma conclusão surpreendente: as ondas gigantes não são meras ocorrências anómalas. Resultam das leis naturais do mar. Não são misteriosas, mas até certo ponto simples.

27.500 estados do mar

Analisámos quase 27.500 registos de ondas com meia hora de duração, ou estados do mar, recolhidos entre 2003 e 2020 no centro do Mar do Norte. Efetuados a cada 30 minutos, estes registos descrevem até que ponto a superfície do mar se elevava em relação ao nível médio do mar. Incluem grandes tempestades, como o episódio da onda Andrea, em 2007.

Em condições normais, as ondas formam-se quando o vento sopra sobre a superfície marítima. É semelhante a soprar sobre uma chávena de café e criar pequenas ondulações à superfície. No mar, com tempo e espaço suficientes, essas ondulações podem transformar-se em ondas de grande dimensão.

Concentrámo-nos em perceber por que razão as ondas se tornam subitamente gigantes e se elevam muito acima das ondas vizinhas. Uma das teorias propostas assenta na instabilidade modulacional, um fenómeno descrito por modelos matemáticos complexos. Já revi estes modelos no passado, uma vez que o meu trabalho indica que esta teoria não explica totalmente a origem das ondas gigantes no oceano aberto.

Quando as ondas ficam confinadas num canal estreito, a teoria da instabilidade modulacional descreve bem o seu movimento ondulatório. Contudo, deixa de se aplicar quando se considera o oceano real. Em ambientes abertos, como o Mar do Norte, as ondas podem propagar-se livremente a partir de várias direções.

Para compreender a diferença, imagine uma multidão de espetadores a sair de um estádio depois de um jogo de futebol. Se a saída for um corredor longo e estreito, ladeado por paredes altas, as pessoas são obrigadas a deslocar-se numa única direção. Quem está atrás empurra para a frente, e algumas pessoas podem até subir sobre as outras, acumulando-se entre as paredes que as confinam. Esta acumulação catastrófica assemelhar-se-ia a uma onda gigante provocada pelo confinamento.

Por outro lado, se a saída do estádio desembocar num campo amplo, os espetadores podem dispersar-se livremente em todas as direções. Não se empurram uns aos outros nem formam aglomerações.

De forma semelhante, os investigadores conseguem gerar ondas gigantes em laboratório num canal confinado, onde obedecem à instabilidade modulacional. Porém, sem o confinamento proporcionado por um canal, as ondas gigantes geralmente não seguem essa física nem se formam da mesma maneira em mar aberto.

A nossa equipa sabia que precisava de estudar diretamente o mar aberto para perceber o que realmente acontece. Os dados reais do Mar do Norte examinados pela minha equipa não coincidem com a instabilidade modulacional - contam uma história diferente.

É apenas um mau dia no mar

Recorremos a técnicas estatísticas para analisar os registos dos estados do mar e revelar os padrões por detrás destes acontecimentos raros. Os resultados mostram que, em vez da instabilidade modulacional, as ondas extremas observadas terão provavelmente resultado de um processo denominado interferência construtiva.

A interferência construtiva ocorre quando duas ou mais ondas se alinham e se combinam numa única onda maior. Este efeito é intensificado pela assimetria natural das ondas do mar - as suas cristas tendem a ser mais afiadas e íngremes do que os seus vales mais planos.

As ondas gigantes surgem quando muitas ondas menores se alinham e as suas cristas mais íngremes começam a sobrepor-se, formando uma única onda colossal que, por instantes, se eleva muito acima do que a rodeia. Basta um momento em que muitas ondas comuns convergem e se acumulam para transformar um tranquilo passeio de barco num mau dia no mar.

Estas ondas gigantes sobem e descem em menos de um minuto, seguindo aquilo a que se chama um padrão quase determinístico no espaço e no tempo. Este tipo de padrão é identificável e repetível, embora inclua elementos de aleatoriedade.

Num oceano idealizado, essa aleatoriedade quase desapareceria, permitindo que as ondas gigantes atingissem alturas praticamente infinitas. Mas também seria necessário esperar uma eternidade para observar uma dessas ondas, pois teria de haver um alinhamento perfeito entre muitas delas. Seria como esperar que Fortuna, a deusa do acaso, lançasse um bilião de dados e que quase todos caíssem no mesmo número.

No oceano real, a natureza limita o crescimento de uma onda gigante através da rebentação das ondas. À medida que a onda aumenta em altura e energia, deixa de conseguir sustentar-se depois de um certo ponto sem retorno. A sua extremidade derrama-se e rebenta em espuma, ou crista branca, libertando o excesso de energia.

O padrão quase determinístico das ondas gigantes

As ondas gigantes não existem apenas no mar. A interferência construtiva pode ocorrer em muitos tipos de ondas. Uma teoria geral denominada quase-determinismo das ondas, desenvolvida pelo oceanógrafo Paolo Boccotti, explica a formação de ondas gigantes, tanto no oceano como noutros sistemas ondulatórios.

Por exemplo, quando água turbulenta flui através de um canal confinado, uma onda gigante manifesta-se como um pico intenso e de curta duração nos vórtices - padrões de redemoinhos na água que aumentam temporariamente de dimensão à medida que seguem a corrente.

Embora as ondas do oceano pareçam imprevisíveis, a teoria de Boccotti demonstra que as ondas extremas não são totalmente aleatórias. Quando se forma uma onda realmente grande, as ondas marítimas à sua volta seguem um padrão identificável criado pela interferência construtiva.

Aplicámos a teoria de Boccotti para identificar e caracterizar estes padrões nos registos de ondas medidos no Mar do Norte.

As ondas enormes observadas nestes registos transportam uma espécie de assinatura, ou impressão digital, sob a forma de um grupo de ondas, que pode revelar como nasceu a onda gigante. Um grupo de ondas pode ser entendido como um pequeno conjunto de ondas que se desloca em conjunto. Eleva-se, atinge o máximo e depois desvanece-se por interferência construtiva. Acompanhar estes grupos de ondas permite aos investigadores compreender o panorama mais amplo de um evento gigante à medida que este se desenrola.

Como exemplo, uma tempestade intensa atingiu o Mar do Norte em 24 de novembro de 2023. Uma câmara instalada na plataforma de Ekofisk registou uma onda gigante massiva de 55 pés (17 metros). 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 gigante seguiu estas teorias - o quase-determinismo e a interferência construtiva - e resultou da sobreposição repetida de múltiplas ondas menores.

Reconhecer como se formam as ondas gigantes pode ajudar engenheiros e projetistas a construir navios e plataformas offshore mais seguros, bem como a prever melhor os riscos.

Francesco Fedele, Professor Associado de Engenharia Civil e Ambiental, Georgia Institute of Technology

Este artigo é republicado de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.