Første nyttårsdag 1995 skjedde det noe overraskende på den norske oljeplattformen Draupner E. Mens de omkringliggende bølgene hadde en gjennomsnittshøyde på 12 meter, reiste en 25,6 meter høy bølge seg fra intet og slo inn over plattformen klokken 15.20. Dette var første gang en såkalt monsterbølge ble målt med digitale instrumenter.
Hvor, når og hvordan disse spontane kjempebølgene, også kjent som rogue waves eller freak waves, oppstår, er noe oseanografer og andre forskere har lurt på lenge. En ny studie fra det danske Niels Bohr Institutet og University of Victoria i Canada kan gi noen svar.
Økt sikkerhet
Ved å analysere over én milliard bølger, som tilsvarer totalt 700 år med bølgedata, har forskerne kommet frem til at bølgene forekommer oftere enn tidligere antatt. Med dette gigantiske datasettet har de trent opp en kunstig intelligens (KI) til å finne formelen for hvordan disse monsterbølgene oppstår og hvordan vi kan forutsi dem. Håpet er at det kan øke sikkerheten på ulike skipsruter.
– I bunn og grunn er det ren uflaks når en av disse veldig store bølgene slår inn. For det er en kombinasjon av mange faktorer som det til nå ikke har vært mulig å kombinere til ett enkelt risikoestimat, forklarer Dion Häfner, som var doktorgradsstudent på prosjektet og i dag er ansatt ved Pasteur Labs, i en pressemelding.
– I studien har vi kartlagt årsakene som skaper en monsterbølge og samlet dem i en modell som ved hjelp av kunstig intelligens beregner sannsynligheten for at det faktisk skjer.
Stordata og kunstig intelligens
Monsterbølger er et atypisk fenomen. Oseanograf Jacob Woge Nielsen fra Danmarks Meteorologiske Institut (DMI), som ikke har deltatt i arbeidet med studien, sier at de utgjør rundt 1 av 10.000 bølger. En monsterbølge defineres som en bølge som er minst dobbelt så stor som bølgene rundt, sier han.
– Ifølge teorien om Rayleigh-fordelinger, som kan anslå hvor ofte monsterbølger forekommer sammenlignet med normale bølgefordelinger, er monsterbølger ekstremt sjeldne. Nyere observasjoner viser imidlertid at de ikke er så sjeldne. De opptrer sjelden flere ganger på samme sted, men i større skala dukker de opp hele tiden, forklarer DMI-forskeren, som til daglig jobber med bølgemodellering.
I den nye studien, som er publisert i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences, har Dion Häfner og kollegene hans utviklet modeller ved å kombinere tilgjengelige data om havbevegelser med formen til havbunnen.
Totalt har de samlet inn data fra 150 bøyer på ulike steder utenfor kysten av USA. Døgnet rundt har de samlet inn data om mer enn én milliard bølger. Forskerne beskriver dette som 700 år med data, der de fleste bøyene i gjennomsnitt har samlet inn data i fem år og den lengst aktive bøyen i rundt 30 år.
Etter å ha analysert den enorme datamengden fikk forskerne en forståelse av hvordan monsterbølgene oppstår. De matet alt dette inn i et system for maskinlæring, som oversatte det til en algoritme som ble brukt på datasettet.
Forskerne fikk hjelp på veien av en KI av typen symbolsk regresjonsalgoritme. Denne typen KI ga forskerne en dypere innsikt i forekomsten av monsterbølger, i stedet for bare å forutsi når de kan oppstå.
– Beregningene våre viser at unormale bølger oppstår hele tiden. Faktisk har vi registrert 100.000 bølger i datasettet vårt som kan defineres som monsterbølger. Det tilsvarer at det oppstår mellom 0,1 og 1 monsterbølge hver dag på et tilfeldig sted i havet. Men ikke alle disse bølgene er monsterbølger av ekstrem størrelse, forklarer Johannes Gemmrich fra University of Victoria, som har deltatt i studien, i pressemeldingen.
Teorien kan være bekreftet
Med studien slår forskerne fast at monsterbølger oppstår ved såkalt lineær superposisjon, der to bølgesystemer krysser og dermed forsterker hverandre over kort tid. Dette bryter med oppfatningen om at monsterbølger oppstår fordi en bølge stjeler energi fra en annen. Nielsen fra DMI støtter teorien om lineær superposisjon.
– Normalt er det slik at jo høyere bølgene blir, jo lengre er de. Men med monsterbølger opprettholdes bølgelengden, samtidig som de blir veldig høye og ekstremt bratte. Hvis du tenker deg at høyden dobles og lengden beholdes, blir bølgen minst dobbelt så bratt. Dette kan være grunnen til at det skjer nesten øyeblikkelige forlis på havet i forbindelse med disse bølgene, sier han.
Forskerne mener at forskningen deres kan brukes i maritim industri, som har mer enn 50.000 lasteskip på vannet døgnet rundt. Med den nye algoritmen vil de kunne forutsi monsterbølger og planlegge alternative ruter.
– Når rederiene planlegger skipsrutene sine flere dager i forveien, kan de bruke algoritmen vår til å få en risikovurdering av om ruten de har planlagt, står i fare for å møte monsterbølger. Basert på dette kan de velge alternative ruter, sier Häfner.
Nielsen mener at forskningen absolutt kan være relevant. Han påpeker imidlertid at dette er risikovurderinger og ikke en algoritme for prognoser. Og DMI tilbyr allerede denne tjenesten med risikovurderinger.
– Det finnes allerede en algoritme fra ECMWF i England som kan beregne en indeks for om sannsynligheten for monsterbølger på et gitt sted og tidspunkt. Den er implementert i DMIs bølgemodell. Den nye algoritmen fra Niels Bohr Institutet er mer avansert fordi den tar hensyn til flere aspekter ved bølgenes fysikk. Om det er noe DMI kan bruke, er for tidlig å si. Men jeg er nysgjerrig på hvordan de bruker kunstig intelligens i sine prediksjoner, sier Nielsen.
Algoritmen og forskningen fra Niels Bohr Institutet er offentlig tilgjengelig, og det samme er bølge- og værdataene de har samlet inn. Dette er allerede tilgjengelig for myndigheter og værtjenester.
Artikkelen ble først publisert på Ingeniøren
