Ondas gigantes: o que são as ondas errantes e porque surgem

As ondas errantes têm intrigado marinheiros e cientistas há muitas décadas. Tratam-se de ondas gigantes, isoladas, que surgem de repente em pleno oceano.

Estes colossos do mar são fugazes: em regra, duram menos de um minuto antes de se dissiparem. Podem atingir 20 metros de altura (cerca de 65 pés) ou mais e, muitas vezes, ultrapassam em mais do dobro a altura das ondas em redor. Durante muito tempo consideradas um mito náutico, as ondas errantes já foram observadas em vários pontos do globo. Pela sua dimensão e força, representam um risco real para navios e para estruturas ao largo.

Com o objectivo de repensar o que são as ondas errantes e de onde vêm, reuni uma equipa internacional de investigadores. O nosso estudo, publicado na revista Nature Scientific Reports, esclarece estes gigantes oceânicos com base no conjunto de dados mais abrangente do seu género.

A partir da análise de 18 anos de medições a laser de alta frequência recolhidas na plataforma petrolífera de Ekofisk, no centro do Mar do Norte, chegámos a uma conclusão inesperada: as ondas errantes não são apenas episódios bizarros e excepcionais. Elas emergem das leis naturais do mar. Não são um mistério - são, em certa medida, simples.

27 500 estados do mar

Examinámos quase 27 500 registos de ondas com duração de meia hora - os chamados estados do mar - obtidos entre 2003 e 2020 no centro do Mar do Norte. Estes registos, recolhidos de 30 em 30 minutos, descrevem o quão elevada estava a superfície do mar face ao nível médio. Incluem grandes tempestades, como o evento da onda Andrea, em 2007.

Em circunstâncias normais, as ondas formam-se pela acção do vento sobre a superfície do mar. É semelhante ao que acontece quando sopra sobre uma chávena de café e cria pequenas ondulações. No oceano, com tempo e espaço suficientes, essas ondulações podem evoluir para vagas de grande dimensão.

O nosso foco foi perceber o que faz com que, de repente, algumas ondas “se tornem errantes” e se elevem muito acima das ondas vizinhas. Uma explicação proposta assenta na instabilidade modulacional, um fenómeno descrito por modelos matemáticos complexos. No passado, revi esses modelos, uma vez que o meu trabalho indica que essa teoria não explica por completo a origem das ondas errantes em mar aberto.

Quando as ondas ficam confinadas a um canal estreito, a teoria da instabilidade modulacional descreve bem o seu comportamento ondulatório. No entanto, quando passamos ao oceano real, a explicação começa a falhar. Em ambientes abertos, como o Mar do Norte, as ondas podem propagar-se livremente em múltiplas direcções.

Para tornar a diferença intuitiva, imagine uma multidão a sair de um estádio após um jogo de futebol. Se a saída for um corredor longo e estreito, com paredes altas, as pessoas ficam obrigadas a avançar numa única direcção. Quem vem atrás empurra, alguns podem até subir por cima de outros, e forma-se um amontoado entre as paredes. Esse amontoado catastrófico assemelhar-se-ia a uma onda errante, causada pelo confinamento.

Se, pelo contrário, a saída do estádio der acesso a um campo amplo, os espectadores espalham-se com liberdade em todas as direcções. Não há empurrões significativos nem se criam amontoados.

Do mesmo modo, em laboratório é possível gerar ondas errantes num canal confinado, onde obedecem à instabilidade modulacional. Mas sem o confinamento de um canal, em geral, as ondas errantes não seguem essa física nem se formam da mesma maneira em mar aberto.

Por isso, sabíamos que era indispensável observar directamente o oceano para compreender o que, de facto, estava a acontecer. Os dados reais do Mar do Norte analisados pela minha equipa não coincidem com a instabilidade modulacional - contam uma história diferente.

É apenas um mau dia no mar

Tratámos os registos dos estados do mar com técnicas estatísticas para revelar padrões por trás destes acontecimentos raros. O que encontramos sugere que, em vez de instabilidade modulacional, as ondas extremas observadas se terão formado mais provavelmente através de um processo chamado interferência construtiva.

A interferência construtiva ocorre quando duas ou mais ondas se alinham e se combinam, gerando uma onda maior. Este efeito é reforçado pela assimetria natural das ondas do mar: as cristas tendem a ser mais agudas e íngremes do que os vales, geralmente mais suaves e achatados.

As ondas errantes surgem quando muitas ondas mais pequenas se alinham e as suas cristas, por serem mais empinadas, começam a acumular-se - como se “empilhassem” - até formarem uma única onda enorme que, por instantes, se eleva muito acima do restante mar. Para uma travessia tranquila se transformar num mau dia no mar basta um momento em que várias ondas comuns convergem e se somam.

Estas ondas errantes sobem e descem em menos de um minuto e obedecem ao que se designa por um padrão quase determinístico no espaço e no tempo. É um tipo de padrão que se consegue reconhecer e repetir, mas que inclui uma componente de aleatoriedade.

Num oceano idealizado, essa aleatoriedade quase desapareceria, permitindo que as ondas errantes crescessem até alturas praticamente infinitas. Porém, também seria preciso uma eternidade para observar uma dessas ondas, porque teria de haver um alinhamento perfeito de um número enorme de ondas - como esperar que Fortuna, a deusa do acaso, lançasse um bilião de dados e que quase todos mostrassem o mesmo número.

No oceano real, a natureza impõe um limite ao crescimento das ondas errantes através do rebentamento. À medida que a onda aumenta em altura e energia, chega a um ponto de não retorno: a crista derrama-se e rebenta em espuma - a chamada crista branca - libertando a energia em excesso.

O padrão quase determinístico por trás das ondas errantes

As ondas errantes não são exclusivas do mar. A interferência construtiva pode ocorrer em muitos tipos de ondas. Uma teoria geral, conhecida como quase-determinismo das ondas, desenvolvida pelo oceanógrafo Paolo Boccotti, descreve como se formam ondas extremas tanto no oceano como noutros sistemas ondulatórios.

Por exemplo, em água turbulenta a escoar num canal confinado, uma onda errante pode manifestar-se como um pico intenso e de curta duração nos vórtices - padrões de redemoinhos giratórios - que, por instantes, se tornam maiores à medida que avançam a jusante.

Apesar de as ondas do mar parecerem imprevisíveis, a teoria de Boccotti indica que as ondas extremas não são totalmente aleatórias. Quando se forma uma onda muito grande, as ondas na sua vizinhança seguem um padrão identificável, produzido por interferência construtiva.

Aplicámos a teoria de Boccotti para detectar e descrever esses padrões nos registos de ondas medidos no Mar do Norte.

As ondas gigantes observadas nesses registos trazem uma espécie de assinatura - uma impressão digital - sob a forma de um grupo de ondas, que pode revelar como a onda errante ganhou vida. Um grupo de ondas pode ser entendido como um pequeno “pacote” de ondas que se desloca em conjunto: cresce, atinge um pico e depois desvanece por interferência construtiva. Acompanhar estes grupos permite aos investigadores compreender o quadro completo de um evento errante à medida que se desenrola.

Como exemplo, uma tempestade intensa atingiu o Mar do Norte a 24 de Novembro de 2023. Uma câmara na plataforma de Ekofisk registou uma onda errante enorme com 17 metros (55 pés). Apliquei a teoria do quase-determinismo e um modelo de IA para investigar a origem dessa onda extrema.

A minha análise mostrou que o evento errante seguiu estas teorias - quase-determinismo e interferência construtiva - e resultou da acumulação repetida de múltiplas ondas mais pequenas.

Compreender como se formam as ondas errantes pode ajudar engenheiros e projectistas a construir navios e plataformas offshore mais seguros - e a prever melhor os riscos.

Francesco Fedele, Professor Associado de Engenharia Civil e Ambiental, Instituto de Tecnologia da Geórgia

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