Ondas gigantes no oceano: o que são e o que as provoca

Ondas gigantes (“rogue waves”) vêm fascinando marinheiros e cientistas há décadas. São ondas enormes e isoladas que surgem de repente no oceano aberto.

Esses gigantes enigmáticos duram pouco - em geral, menos de um minuto - antes de desaparecer. Podem alcançar 20 metros de altura ou mais e, muitas vezes, passam de duas vezes a altura das ondas ao redor. O que por muito tempo foi tratado como mito náutico já foi registado em várias partes do mundo. Por serem tão altas e energéticas, representam risco para navios e estruturas offshore.

Para repensar o que são as ondas gigantes e o que as provoca, reuni uma equipa internacional de investigadores. O nosso estudo, publicado na Nature Scientific Reports, analisa esses gigantes do mar a partir do conjunto de dados mais completo desse tipo.

A partir de 18 anos de medições a laser de alta frequência feitas na plataforma petrolífera de Ekofisk, no centro do Mar do Norte, chegámos a uma conclusão inesperada: as ondas gigantes não são apenas “anomalias” improváveis. Elas emergem dentro das leis naturais do mar. Não são misteriosas - são, de certo modo, simples.

27.500 estados do mar

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

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

O nosso foco foi entender por que, de repente, algumas ondas “viram gigantes” e se elevam muito acima das vizinhas. Uma explicação proposta baseia-se na instabilidade modulacional, um fenómeno descrito por modelos matemáticos complexos. Já revi esses modelos no passado, e o meu trabalho indica que essa teoria não explica por completo o que gera ondas gigantes no oceano aberto.

Quando as ondas ficam confinadas num canal estreito, a teoria da instabilidade modulacional descreve bem o movimento ondulatório. Mas ela começa a falhar quando se observa o oceano real. Em ambientes abertos como o Mar do Norte, as ondas podem propagar-se em múltiplas 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, e alguns podem até subir sobre outros, acumulando-se entre as paredes. Esse amontoado catastrófico lembraria uma onda gigante, gerada pelo confinamento.

Por outro lado, se a saída do estádio der para um campo amplo, os espectadores espalham-se livremente em todas as direções. Não há empurrões relevantes e o amontoamento tende a não ocorrer.

De modo semelhante, em laboratório, é possível gerar ondas gigantes num canal confinado, onde elas seguem a instabilidade modulacional. Porém, sem o “efeito corredor” do canal, em geral elas não obedecem a essa física - nem se formam da mesma maneira no mar aberto.

A nossa equipa percebeu que era necessário observar diretamente o oceano para entender o que, de facto, acontece. Os dados reais que analisámos no Mar do Norte não se ajustam à instabilidade modulacional - contam outra história.

É apenas um dia ruim no mar

Tratámos os registos de estados do mar com técnicas estatísticas para revelar 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, produzindo uma onda maior. Esse efeito fica mais forte por causa da assimetria natural das ondas do mar - as cristas costumam ser mais agudas e inclinadas do que os vales, que são mais achatados.

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

Essas ondas sobem e descem em menos de um minuto, seguindo o que se chama de padrão quase determinístico no espaço e no tempo. Trata-se de um padrão identificável e repetível, mas com componentes de aleatoriedade.

Num oceano idealizado, essa aleatoriedade quase desapareceria, permitindo que uma onda gigante crescesse até alturas quase infinitas. Só que, para ver uma dessas, seria preciso “esperar para sempre”, porque seria necessário um alinhamento praticamente perfeito de inúmeras ondas. Seria como aguardar Fortuna, a deusa do acaso, lançar um trilião de dados e ver quase todos caírem no mesmo número.

No oceano real, a própria natureza impõe um limite ao tamanho de uma onda gigante por meio da rebentação. À medida que a onda aumenta em altura e energia, chega a um ponto sem retorno em que não consegue sustentar-se. A crista derrama e rebenta em espuma (a chamada “crista branca”), libertando o excesso de energia.

O padrão quase determinístico por trás das ondas gigantes (“rogue waves”)

As ondas gigantes não estão restritas ao mar. A interferência construtiva pode ocorrer em vários tipos de ondas. Uma teoria geral, chamada quase determinismo das ondas, desenvolvida pelo oceanógrafo Paolo Boccotti, descreve como ondas extremas se formam tanto no oceano como noutros sistemas ondulatórios.

Por exemplo, em água turbulenta a fluir por um canal confinado, uma “onda gigante” aparece como um pico intenso e de curta duração nos vórtices - padrões de redemoinho giratório que, por momentos, aumentam à medida que avançam a jusante.

Embora as ondas do mar pareçam imprevisíveis, a teoria de Boccotti mostra que ondas extremas não são totalmente aleatórias. Quando uma onda muito grande se forma, as ondas ao seu redor no mar tendem a seguir um padrão reconhecível, construído pela interferência construtiva.

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

As ondas gigantes observadas nesses dados exibem uma espécie de assinatura - como uma impressão digital - sob a forma de um grupo de ondas, que pode indicar como o evento nasceu. Pense num grupo de ondas como um pequeno “pacote” de ondas a mover-se em conjunto. Elas aumentam, atingem um pico e depois enfraquecem por interferência construtiva. Acompanhar esses grupos ajuda os investigadores a entender o quadro mais amplo do evento extremo enquanto ele se desenrola.

Como exemplo, uma forte tempestade atingiu o Mar do Norte em 24 de novembro de 2023. Uma câmara na plataforma de Ekofisk registou uma onda gigante de 17 metros. 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 do empilhamento repetido de várias 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, Georgia Institute of Technology

Este artigo foi republicado de The Conversation sob licença Creative Commons. Leia o artigo original.