Ondas gigantes: dados de Ekofisk revelam como surgem no Mar do Norte

Ondas gigantes há décadas despertam a curiosidade de marinheiros e cientistas. Elas são ondas enormes e isoladas que surgem de repente em mar aberto.

Essas gigantes enigmáticas duram pouco - em geral, menos de um minuto - e logo desaparecem. Podem atingir 20 metros (cerca de 65 pés) ou mais e, com frequência, ficam com mais do que o dobro da altura das ondas ao redor. Antes tratadas como mito náutico, hoje já foram registradas em diversas regiões do planeta. Por serem tão altas e energéticas, representam risco real para embarcações e estruturas offshore.

Para repensar o que são as ondas gigantes e por que elas acontecem, reuni uma equipa internacional de pesquisadores. O estudo, publicado na Nature Scientific Reports, esclarece o fenómeno com base no conjunto de dados mais abrangente desse tipo.

A partir de 18 anos de medições a laser de alta frequência feitas na plataforma de petróleo Ekofisk, no Mar do Norte central, chegamos a uma conclusão inesperada: ondas gigantes não são apenas “acidentes” raríssimos. Elas emergem das leis naturais do mar. Em vez de misteriosas, são - em certa medida - simples.

27.500 estados do mar

Examinamos quase 27.500 registos de ondas com duração de meia hora - os chamados estados do mar - recolhidos entre 2003 e 2020 no Mar do Norte central. Esses registos, obtidos a cada 30 minutos, descrevem o quanto a superfície do mar ficou acima ou abaixo do nível médio. O conjunto inclui grandes tempestades, como o evento da onda Andrea, em 2007.

Em condições comuns, as ondas nascem do vento a soprar sobre a superfície. É parecido com soprar sobre uma chávena de café e ver pequenas ondulações aparecerem. No oceano, com tempo e espaço suficientes, essas ondulações podem evoluir para ondas grandes.

O nosso foco foi entender o que faz uma onda, de repente, “virar” uma onda gigante e elevar-se muito acima das vizinhas. Uma hipótese bastante citada é a da instabilidade modulacional, descrita por modelos matemáticos complexos. Já revisei esses modelos no passado, porque o meu trabalho indica que essa teoria não explica por completo o que provoca ondas gigantes em mar aberto.

Quando as ondas ficam confinadas num canal estreito, a teoria da instabilidade modulacional descreve bem o seu comportamento ondulatório. O problema é que a explicação começa a falhar quando olhamos para o oceano real. Em ambientes abertos, como o Mar do Norte, as ondas podem propagar-se livremente a partir de várias direções.

Para visualizar a diferença, imagine uma multidão a sair de um estádio após um jogo de futebol. Se a saída for um corredor longo, estreito e com paredes altas, as pessoas ficam obrigadas a avançar numa única direção. Quem está atrás empurra; alguns podem até subir sobre outros, acumulando-se entre as paredes. Esse amontoamento catastrófico lembra uma onda gigante causada pelo confinamento.

Agora, se a saída do estádio dá para um campo amplo, os espectadores espalham-se em várias direções. Quase não há empurrões e não se formam “montes” de gente.

De modo semelhante, em laboratório, é possível gerar ondas gigantes num canal confinado, onde elas obedecem à instabilidade modulacional. Mas, sem esse confinamento, em geral as ondas gigantes não seguem a mesma física nem se formam do mesmo modo no mar aberto.

Foi por isso que a nossa equipa entendeu que precisava observar diretamente o oceano aberto para descobrir o que realmente acontece. Os dados reais analisados por nós no Mar do Norte não batem com a instabilidade modulacional - eles contam outra história.

É apenas um dia ruim no mar

Aplicamos técnicas estatísticas aos registos de estados do mar para encontrar padrões por trás desses episódios raros. Os resultados indicam que, em vez de instabilidade modulacional, as ondas extremas observadas provavelmente se formaram por um processo chamado interferência construtiva.

A interferência construtiva ocorre quando duas ou mais ondas se alinham e se somam, dando origem a uma onda maior. Esse efeito torna-se ainda mais forte por causa da assimetria natural das ondas do mar: as cristas tendem a ser mais agudas e íngremes do que os cavados, que são mais achatados.

As ondas gigantes aparecem quando muitas ondas menores se alinham e as suas cristas mais inclinadas começam a “empilhar-se”, criando uma única onda enorme que, por instantes, se eleva muito acima do entorno. Para um passeio tranquilo de barco se transformar num dia ruim no mar, basta um momento em que várias ondas comuns convergem e se somam.

Essas ondas gigantes sobem e descem em menos de um minuto e seguem o que se chama de padrão quase determinístico no espaço e no tempo. É um tipo de padrão identificável e repetível, mas com alguma dose de aleatoriedade.

Num oceano idealizado, essa aleatoriedade quase desapareceria, o que permitiria a uma onda gigante crescer até alturas quase infinitas. Ao mesmo tempo, seria preciso esperar uma eternidade para ver uma dessas ondas, porque seria necessário um alinhamento perfeito de muitas ondas. Seria como aguardar Fortuna, a deusa da sorte, lançar um trilhão de dados e ver quase todos caírem no mesmo número.

No oceano real, porém, a própria natureza impõe um limite ao crescimento das ondas gigantes por meio da arrebentação. À medida que a onda aumenta em altura e energia, chega a um ponto sem retorno: a crista tomba, quebra e vira espuma - a chamada crista branca - libertando a energia excedente.

O padrão quase determinístico por trás das ondas gigantes

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

Por exemplo, em água turbulenta a escoar por um canal confinado, uma “onda gigante” pode aparecer como um pico intenso e breve nos vórtices - padrões de redemoinhos que, por instantes, ficam maiores à medida que seguem corrente abaixo.

Embora as ondas do mar pareçam imprevisíveis, a teoria de Boccotti mostra que as ondas extremas não são completamente aleatórias. Quando uma onda muito grande se forma, as ondas ao seu redor passam a seguir um padrão reconhecível, criado pela interferência construtiva.

Usamos a teoria de Boccotti para localizar e descrever esses padrões nos registos medidos no Mar do Norte.

As ondas enormes presentes nesses registos trazem uma espécie de assinatura - uma “impressão digital” - na forma de um grupo de ondas, capaz de indicar como a onda gigante ganhou vida. Pense num grupo de ondas como um pequeno pacote de ondas que viaja junto. Elas crescem, atingem um pico e depois enfraquecem devido à interferência construtiva. Acompanhar esses grupos ajuda os pesquisadores a entender o quadro maior de um evento extremo enquanto ele acontece.

Como exemplo, uma tempestade forte atingiu o Mar do Norte em 24 de novembro de 2023. Uma câmara na plataforma Ekofisk registou uma onda gigante de 17 metros (cerca de 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 seguiu essas teorias - quase determinismo e interferência construtiva - e resultou da soma repetida de múltiplas ondas menores.

Reconhecer como as ondas gigantes se formam pode ajudar engenheiros e projetistas 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 de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

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