Sóng sát thủ nuốt chửng tàu thuyền trên đại dương

Nic Fleming - BBC Earth

                                        Bản quyền hình ảnh Andre Seale / Alamy Stock Photo

Những cơn sóng sủi bọt khổng lồ như bức tường dựng đứng cao đến 10 tầng lầu. Những cửa khoang tàu bị nghiền nát và buồng lái khoang trên bị ngập nước. Con quái vật khổng lồ cao đến 30 mét trỗi dậy từ thinh không, lật nhào thuyền bè như bật tung những chiếc nắp chai, rồi lập tức rút lui vào biển sâu trong chớp mắt. Những mô tả dữ dội về "sóng sát thủ" (còn gọi là sóng độc) lớn đến bất thường xuất hiện từ biển xanh đã được thủy thủ kể cho nhau nghe qua hàng thế kỷ.

Có rất ít hoặc hầu như không có bằng chứng rõ ràng nào, và kích cỡ của cơn sóng thường được phóng đại sau mỗi lần kể, nên chẳng có gì lạ khi các nhà khoa học từ lâu đã phớt lờ và coi chúng như chuyện hoang đường.

Mãi cho đến khoảng nửa thế kỷ gần đây, sự hoài nghi này mới được giải tỏa bằng các chứng cứ khoa học.

Theo hiểu biết tốt nhất của các nhà khoa học về cơ chế tạo thành sóng biển, một con sóng cao đến 30m có thể khoảng 30.000 năm mới xuất hiện một lần. Những cơn sóng sát thủ có thể được xếp chung với những huyền thoại như nàng tiên cá hay quái vật biển khơi.

Tuy nhiên, giờ đây ta biết chúng không phải là huyền thoại biển khơi.

Cơn sóng là một sự xáo trộn dịch chuyển năng lượng giữa hai điểm.

Những cơn sóng quen thuộc nhất xảy ra bên trong khối nước, nhưng ngoài ra còn có rất nhiều các loại sóng khác, chẳng hạn như sóng âm thanh di chuyển vô hình trong không khí.

Mặc dù một con sóng trào qua Đại Tây Dương không giống như sóng radio, nhưng chúng hoạt động theo cùng một nguyên tắc, và người ta có thể sử dụng những phương trình giống nhau để mô tả sóng.

Sóng sát thủ phải cao ít nhất gấp đôi "chiều cao của sóng lớn", nghĩa là phải cao gấp đôi chiều cao trung bình của ba con sóng cao nhất trong một khoảng thời gian nhất định.

Theo những đo đạc từ vệ tinh, những con sóng khổng lồ đó không chỉ tồn tại, mà chúng còn xảy ra khá thường xuyên. Kẻ từng hoài nghi giờ đã sai, và những gì từng là truyện kể đã trở thành sự thật.

                                           Hình ảnh MIGUEL RIOPA/AFP/Getty Images

Điều này đã dẫn các nhà khoa học đến nhiều câu hỏi khó trả lời hơn.

Nếu sóng sát thủ tồn tại, vậy cái gì đã gây ra các đợt sóng khổng lồ? Và điều quan trọng hơn với người đi biển là liệu người ta có thể dự báo trước chúng không?

Giả thiết khiến sóng dâng cao

Mãi đến thập niên 1990, ý tưởng của các nhà khoa học về cách sóng biển hình thành vẫn còn bị ảnh hưởng nặng nề bởi công trình của nhà toán học và đại dương học người Anh tên Michael Selwyn Longuet-Higgins.

Trong công trình xuất bản từ thập niên 1950 trở đi, ông công bố rằng khi hai hoặc nhiều đợt sóng va chạm vào nhau, chúng có thể kết hợp và tạo ra một cơn sóng mạnh hơn qua một quá trình gọi là "độ nhiễu tăng cường" ("constructive interference").

Theo nguyên tắc "chồng chất tuyến tính" ("linear superposition"), chiều cao của con sóng mới đơn giản là bằng tổng chiều cao của các con sóng ban đầu. Quan điểm này cho rằng một con sóng sát thủ chỉ có thể thành hình nếu có đủ số lượng các con sóng tràn đến cùng một lúc.

Tuy nhiên, trong suốt thập niên 1960, nhiều chứng cứ cho thấy mọi việc có vẻ không đơn giản như thế.

Người đóng vai trò hàng đầu là nhà toán học và vật lý học Thomas Brooke Benjamin, người nghiên cứu cơ chế của các con sóng trong một bồn chứa nước dài trên vùng nước nông tại Đại học Cambridge.

Cùng với sinh viên Jim Feir, Benjamin chú ý rằng trong khi các con sóng có thể bắt đầu với tần số và bước sóng liên tục, chúng vẫn sẽ thay đổi bất ngờ ngay sau khi được tạo ra. Con sóng với bước sóng dài hơn bắt kịp những con sóng có bước sóng ngắn hơn. Điều này có nghĩa rất nhiều năng lượng cuối cùng đã được tập trung lại trong những con sóng khổng lồ nhưng chỉ tồn tại trong thời gian ngắn ngủi.

Ban đầu, Benjamin và Feir cho rằng có sự cố xảy ra trong thiết bị của họ.

Tuy nhiên, việc tương tự xảy ra khi họ lặp lại thí nghiệm ở một bồn chứa cỡ lớn hơn tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Anh Quốc gần London. Hơn nữa, những nhà khoa học khác cũng tìm ra kết quả tương tự.

Trong rất nhiều năm, hầu hết các nhà khoa học tin rằng "sự bất ổn Benjami-Feir" này chỉ xảy ra ở các con sóng được tạo ra trong phòng thí nghiệm, vốn di chuyển theo cùng hướng: một tình huống nhân tạo.

Tuy nhiên, giả thiết này ngày càng không thể đứng vững khi đối mặt với những bằng chứng trong đời thật.

Vào 3 giờ sáng ngày 12/12/1978, một tàu chở hàng của Đức, tàu The München, gửi ra những tín hiệu khẩn cấp từ vùng giữa Đại Tây Dương. Bất chấp những nỗ lực cứu hộ ráo riết, con tàu biến mất và không ai có thể tìm ra; 27 người thiệt mạng. Một xuồng cứu sinh đã được tìm thấy.

Dù được treo ở vị trí cao 20m trên mực nước biển và không hề có dấu hiệu bị cố ý hạ xuống, chiếc xuồng cứu sinh có vẻ như đã bị đánh bởi một lực cực mạnh.

Tuy nhiên, thứ đã thực sự lật tung khu vực lên là một con sóng đã tấn công giàn khoan dầu Draupner ngoài khơi Na Uy ngay sau thời điểm 3 giờ 20 phút chiều ngày đầu năm mới năm 1995.

Các đợt gió từ bão nhiệt đới thổi và các cơn sóng cao đến 12m tấn công vào giàn khoan, vì thế công nhân được lệnh trú ẩn vào bên trong.

Không ai nhìn thấy con sóng, nhưng nó được ghi nhận lại bởi hệ thống theo dõi tầm xa dùng tia laser và đo được đến 26m từ đáy lên đến đỉnh.

Ngọn sóng khổng lồ Draupner đã đưa khoa học sang trang mới với sóng sát thủ.

Khi các nhà khoa học từ Dự án MAXWAVE của Liên minh Châu Âu phân tích 30.000 bức ảnh vệ tinh trong thời gian ba tuần trong năm 2003, họ tìm thấy 10 con sóng khắp địa cầu với độ cao 25m hoặc hơn thế.

"Những đo đạc vệ tinh cho thấy có rất nhiều con sóng khổng lồ trên đại dương hơn so với lý thuyết tuyến tính dự đoán," Amin Chabchoub từ Đại học Aalto ở Phần Lan cho biết. "Chắc chắn phải có một cơ chế khác liên quan."

Trong hơn 20 năm vừa qua, những nhà nghiên cứu như Chabchoub đã tìm cách giải thích vì sao những con sóng khổng lồ ngày càng phổ biến hơn trước đây.

Thay vì tồn tại tuyến tính như Longuet-Higgins từng lập luận, họ cho rằng các đợt sóng khổng lồ là do hệ thống phi tuyến tính.

Phương trình phi tuyến tính cho thấy một thay đổi trong kết quả không tương ứng với thay đổi ở dữ liệu đầu vào.

Nếu các con sóng tương tác theo kiểu phi tuyến tính, người ta không thể tính toán chiều cao con sóng mới bằng cách cộng dồn các con sóng ban đầu vào. Thay vào đó, một con sóng trong loạt sóng có thể dâng cao rất nhanh từ những con sóng khác.

Khi các nhà vật lý muốn nghiên cứu những hệ thống vi mô như nguyên tử thể hiện theo thời gian, họ thường dùng một công cụ toán học gọi là phương trình Schrödinger.

Hóa ra với phiên bản phi tuyến tính ngẫu nhiên của phương trình Schrödinger, người ta có thể dùng để giải thích sự hình thành các con sóng khổng lồ. Ý tưởng cơ bản là, khi các con sóng trở nên không ổn định, chúng có thể dâng cao rất nhanh bằng cách "đánh cướp" năng lượng từ những con sóng khác.

Các nhà nghiên cứu cho thấy phương trình phi tuyến tính của Schrödinger có thể giải thích vì sao những mô hình thống kê của sóng đại dương có thể thình lình dâng lên đến đỉnh cao dữ dội, qua phương thức tập trung năng lượng này.

Trong một nghiên cứu năm 2016, Chabchoub áp dụng các mô hình này vào thực tế, những dữ liệu biển bất thường, và nhận ra các con sóng khổng lồ có thể tiếp tục dâng cao.

"Giờ đây chúng ta có thể tạo ra những con sóng khổng lồ rất thực trong môi trường phòng thí nghiệm, trong điều kiện tương tự ngoài đại dương," Chabchoub cho biết. "Sử dụng tiêu chuẩn thiết kế giàn khoan dầu và tàu bè dựa trên lý thuyết tuyến tính thật không tốt nếu một hệ thống phi tuyến tính có thể tạo ra những đợt sóng khổng lồ mà chúng không chịu nổi."

Tuy nhiên, không phải ai cũng tin rằng Chabchoub đã tìm ra được lời giải thích.