Гигантские морские волны и стекловолоконные световоды – что между ними общего?

Cтрашные истории про гигантские одиночные волны, «волны-убийцы», внезапно возникающие посреди океана и несущие верную гибель судам, на протяжении столетий воспринимались как типичные морские байки. Соответственно, все океанские суда строились с таким расчётом, чтобы они выдерживали удар волны высотой до 15-ти метров. Возникновение, скажем, 30-метровой волны считалось либо вообще невозможным, либо событием столь маловероятным, что принимать его в расчёт не имело смысла. И лишь относительно недавно, в 1995-м году, было получено документальное подтверждение реальности существования гигантских одиночных волн. А сегодня можно считать доказанным, что это явление не такое уж редкое. В частности, специалисты Немецкого центра аэрокосмических исследований в Кёльне недавно проанализировали данные о состоянии поверхности мирового океана, собранные одним из исследовательских спутников, который находится на околоземной орбите с 1991-го года. По словам Зузанны Ленер (Susanne Lehner), руководительницы проекта, оказалось, что наиболее часто «волны-убийцы» возникают в северной части Тихого и Атлантического океанов, при этом одна аномально высокая волна приходится примерно на 3000 обычных волн. Это означает, что в северном полушарии в мировом океане еженедельно возникает 2-3 гигантские волны. Британские учёные, занимавшиеся этой же тематикой, пришли к выводу, что высота таких волн может превышать 30 метров. Но, как ни странно, по словам Дугласа Фолкнера (Douglas Faulkner), видного эксперта в области судостроения, опасность, исходящая от таких волн, до сегодняшнего дня практически никак не учитывается. Между тем, хотя около трети всех случаев гибели морских судов принято приписывать штормовой погоде, подлинные причины катастроф зачастую установить так и не удаётся.

Впрочем, и механизм возникновения аномально больших волн тоже до сих пор детально не изучен. Высказывались разные гипотезы – и про наложение шторма на сильное течение, и про столкновение двух различных штормов. Ясно было лишь одно: и по характеристикам, и по механизму зарождения такие волны кардинально отличаются и от обычных штормовых волн, и от приливных волн – цунами. Во всяком случае, прямо пропорциональной зависимости, вытекающей из представлений классической физики, – чем сильнее ветер, тем выше волна, – эти волны не подчиняются. Процесс их возникновения носит нелинейный характер, а такие процессы изучаются нелинейной физикой, – говорит Клаус Роперс (Claus Ropers), сотрудник Института нелинейной оптики и высокоскоростной спектроскопии имени Макса Борна в Берлине:

Нелинейная физика – это область физики, рассматривающая весьма сложные явления. Скажем, теория хаоса тоже относится к нелинейной физике – это математический аппарат, описывающий поведение некоторых нелинейных динамических систем. В нелинейной физике часто приходится иметь дело с феноменами, которые лишь с большим трудом поддаются прогнозированию. Они связаны с весьма необычными процессами, которые, как правило, не удаётся описать с помощью стандартных математических методов.

Необычность упомянутых Роперсом процессов состоит, прежде всего, в том, что крайне незначительные изменения параметров на входе системы вызывают гигантские изменения на выходе. В нелинейной оптике, которой занимается Клаус Роперс, такого рода эффекты характерны для лазерного излучения. Но с недавнего времени специалисты в области световых волн вдруг стали проявлять повышенное внимание к аномальным волнам в океане. С чего бы это? Коллега Роперса – Даньел Солли (Daniel Solli), научный сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, – рассказывает:

Это была до некоторой степени случайность: мы проводили ряд оптических экспериментов и вдруг обнаружили, что некоторые волны были гораздо крупнее всех остальных. Сначала мы даже не поняли, что же тут, собственно, происходит. Но потом порылись в архивах, почитали кое-что в специальной литературе, и до нас дошло, что мы имеем дело с тем же самым эффектом, который был прежде описан другими как гигантские морские волны. Мы ознакомились с тем математическим аппаратом, которым пользовались те люди, чтобы если уж не спрогнозировать, то хотя бы смоделировать возникновение этих волн в воде, и оказалось, что это те же самые математические модели, которые применяем мы для исследования оптических волн в стекловолоконных световодах.

Есть в нелинейной оптике такое явление – спектральный суперконтинуум. Суть его состоит в том, что запущенный в стекловолокно узкочастотный лазерный импульс, скажем, красного цвета генерирует на другом конце световода белый, то есть гораздо более широкочастотный луч, охватывающий весь спектр цветов от красного до фиолетового. Клаус Роперс говорит:

При очень низкой интенсивности луча на входе суперконтинуум не возникает никогда; при очень высокой – возникает всегда. Нас же интересует, прежде всего, тот диапазон интенсивностей, который расположен несколько ниже границы, за которой соперконтинуум возникает обязательно. Так вот, в этом диапазоне он возникает редко, но уж если возникает, то выражен очень ярко.

Как гигантская одиночная волна внезапно нарушает мерный ход обычных штормовых волн в океане, так и в оптической лаборатории Роперса и его коллег в спокойную картину эксперимента то и дело врывается колебание с аномально большой амплитудой. И происходит это чаще, чем предрекали статистические расчёты. Процесс кажется совершенно непредсказуемым, но он не случаен, а всего лишь нелинеен, то есть сильно зависит от ничтожно малых изменений исходных условий эксперимента. Клаус Роперс поясняет:

Ни одни лазер, в том числе ни один импульсный лазер, не производит абсолютно идентичные импульсы. Иными словами, лазер, как и любое другое электронное устройство, несовершенен. Даже самый незначительный уровень шумов – менее 0,1 процента – уже может привести к огромным различиям в импульсах.

Теперь с помощью своей математической модели учёные пытаются выяснить, какие же конкретно компоненты шума вызывают аномальную волну. Пока их усилия сосредоточены на оптических волнах в стекловолокне, но со временем, возможно, дело дойдёт и до морских волн на бескрайних водных просторах.

Впрочем, перед специалистами в области лазерной оптики стоит немало и других проблем. Как известно, одна из фундаментальных природных констант, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, – это скорость света в вакууме. Она составляет 299 792 458 метров в секунду и является предельной скоростью движения частиц и распространения взаимодействий. Однако в среде, отличной от вакуума, скорость света может быть меньше. Физики уже давно проводят эксперименты по контролируемому торможению оптического луча в стекловолоконных световодах. Особый интерес их опыты вызывают, прежде всего, у информатиков и специалистов в области сетевых технологий. Ведь перемещение оптических информационных пакетов по стекловолоконным коммуникационным сетям должно быть синхронизировано – подобно тому, как светофоры синхронизируют движение автотранспорта по улицам города. Пока это требует множества сложных операций: чтобы «попридержать» оптический пакет данных, его конвертируют в электрические импульсы, гораздо легче поддающиеся обработке; те проходят должное количество циклов ожидания, затем конвертируются обратно в световые сигналы и снова продолжают свой стремительный путь. Информатики мечтают о том, как бы обойтись без всей этой долгой процедуры, – говорит Дейвид Готье (David Gauthier), профессор университета Дьюка в Дареме, штат Северная Каролина:

Сегодня налицо повышенный интерес к технологиям, которые могли бы помочь избавиться от необходимости конвертировать световые сигналы. Если бы нам удалось создать чисто оптические циклы ожидания, это существенно повысило бы скорость прохождения сигналов в коммуникационных сетях.

Но, к сожалению, не всё так просто, – признаёт профессор Готье:

Беда в том, что мы пока не располагаем хорошими накопителями для оптических информационных пакетов.

Вообще-то технологии, позволяющие ненадолго задержать световые импульсы, уже существуют, но их реализация требует либо особого агрегатного состояния вещества – так называемого конденсата Бозе-Эйнштейна, – получаемого путём охлаждения газа почти до температуры абсолютного нуля, либо особых, очень дорогих кристаллов. Всё это, естественно, для практического применения в современных оптоволоконных сетях не годится. Решение же, предложенное теперь американскими учёными, функционирует на удивление просто. Нам удалось затормозить световой сигнал в самом обыкновенном, стандартном световоде, – говорит профессор Готье:

Само стекловолокно не толще человеческого волоса, и нам для нашей установки достаточно всего нескольких метров такого волокна. В принципе, его можно скатать в рулон, тогда всё устройство поместится в почтовом конверте.

Чтобы заставить стекловолокно «запомнить», «попридержать» информацию, содержащуюся в лазерном импульсе, исследователи посылают навстречу этому импульсу с другого конца световода второй луч. Там, где два луча встречаются и накладываются друг на друга, атомы световода «пускаются в пляс». Профессор Готье говорит:

Стекловолокно начинает вибрировать. Частота этих колебаний составляет около 10-ти гигагерц – это на много порядков выше, чем то, что мы можем воспринимать на слух.

Эти ультразвуковые волны стекловолокна являются своего рода акустическим отпечатком оптического входного сигнала. После отключения лазерных лучей ультразвуковые колебания на протяжении ещё нескольких миллиардных долей секунды продолжаются, то есть материал световода на некоторое, пусть и чрезвычайно короткое, время запоминает информацию, содержавшуюся в сигнальном луче. Для считывания этой информации профессор Готье направляет в световод ещё один лазерный импульс. Когда он достигает ультразвуковой волны, та переносит на него заложенную в ней информацию. Таким образом, лазерный импульс, содержащий изначально отправленный информационный пакет, оказывается на выходе световода с некоторой задержкой. То есть налицо тот самый чисто оптический цикл ожидания, отправляющий накопленную информацию в нужный момент времени в виде светового импульса в том самом частотном диапазоне, который оптимально совместим с параметрами обычных стекловолоконных телекоммуникационных сетей. Пока, правда, максимальное время задержки лазерного импульса составляется 12 наносекунд – это маловато. И процент ошибок при считывании пока слишком высок, – признаёт профессор Готье:

Свою задачу мы видим теперь в том, чтобы подобрать для световодов другой материал – такой, который позволил бы получать этот же самый эффект, но с меньшими затратами. Сегодня нам всё ещё требуются довольно мощные лазерные импульсы для накапливания и считывания оптической информации. Это ограничивает сферу возможного практического применения. Но если нам удастся в других материалах добиться более долгого хранения информации с помощью более слабых лазерных импульсов, это откроет путь для широкого применения данного эффекта в сетевых технологиях.

Мы начали сегодняшнюю передачу с морских волн, продолжили её оптическими и акустическими колебаниями, а завершим – воздушными завихрениями. Как известно, объём пассажирских и грузовых авиационных перевозок постоянно растёт, количество рейсов увеличивается и к 2025-му году по сравнению с сегодняшним уровнем должно удвоиться, поэтому ограниченная пропускная способность аэропортов становится всё более серьёзным фактором, тормозящим дальнейшее развитие гражданской авиации. Однако график взлётов и посадок нельзя уплотнять до бесконечности по соображениям безопасности. Дело в том, что при взлёте и посадке за самолётом образуется шлейф – так называемый вихревой след, – а он опасен для следующего самолёта. Профессор Рольф Хенке (Rolf Henke), директор Института аэрокосмических исследований при Рейнско-Вестфальской высшей технической школе в Ахене, говорит:

Вихревой след – это вращающиеся воздушные потоки, формирующиеся на концевых частях крыльев и на краях закрылков. Подъёмная сила, развиваемая взлетающим самолётом, создаёт воздушное течение с нижней части крыла к верхней его части, и это приводит к образованию вращающихся воздушных масс, завихрений.

В поисках путей борьбы с вихревым следом ахенские учёные обратились за помощью к коллегам-судостроителям. Профессор Хенке и его группа изучают механизмы образования шлейфа самолёта в гидроканале Дуйсбургского центра судовой техники и транспортных систем. Для этого в воду гидроканала, по которому буксировочная тележка с контролируемой скоростью протягивает модель авиалайнера в натуральную величину, добавляют специальные частицы. Роберт Шёлль (Robert Schöll), коллега профессора Хенке, поясняет:

Частицы, которые мы здесь используем, – это маленькие нейлоновые шарики, бусинки диаметром около 50-ти микрометров. Преимущество нейлона в том, что по плотности он очень близок к воде, поэтому эти бусинки взвешены в воде и ведут себя как вода, всегда идут вместе с потоком.

Весь процесс буксировки самолёта в гидроканале сопровождается вспышками лазерных импульсов, высвечивающих траектории нейлоновых бусинок. Всё это снимается на камеру, затем компьютер пересчитывает полученную информацию в графики, – говорит Роберт Шёлль:

И то, что мы в результате получаем, – это поле векторов скорости, которое даёт нам исчерпывающее представление о шлейфе самолёта.

И о том, как с ним бороться. По результатам испытаний вырисовываются два варианта, – говорит профессор Хенке. Первый состоит в том,..

...чтобы выдвинуть осциллирующие, то есть быстродвижущиеся рулевые поверхности на крыльях и таким образом с самого начала нарушить процесс образования завихрений, внеся в него элементы, ускоряющие распад вихревого следа.

Второй вариант, по словам профессора Хенке, заключается в том,..

...чтобы изменить эпюру распределения подъёмной силы над крыльями таким образом, чтобы посадочные закрылки можно было выдвигать не равномерно, а по-разному: одни – больше, другие – меньше. Тогда распределение подъёмной силы станет неровным, в эпюре образуются уступы, ступени, и это также способствуют распаду вихревого следа.

Оба варианта проходят сейчас испытания, но к внедрению в практику ни тот, ни другой пока не готовы. Так что правило, согласно которому расстояние между двумя взлетающими или садящимися друг за другом бортами должно составлять – в зависимости от массы самолёта – от 4-х до 6-ти навигационных миль, продолжает действовать. Сокращение этой дистанции хотя бы на полмили было бы уже большим достижением.