AI voorspelt nauwkeurig monstergolven
Monstergolven zijn enkele, gigantische uitschieters in de oceaan die schepen kunnen vernietigen. Lange tijd werden ze als een mythe beschouwd. Nu hebben onderzoekers een model ontwikkeld om hun ontstaan te verklaren - en ze hebben een aantal verrassingen ontdekt.
Monstergolven werden lang beschouwd als zeemansgaren: plotselinge, enorme golven die hele schepen kunnen verwoesten. Pas toen digitale instrumenten in 1995 voor het eerst een 26 meter hoge golf registreerden die het Noorse olieboorplatform "Daupner" raakte, was er solide bewijs voor deze gigantische uitschieters. Sindsdien zijn ze uitgebreid onderzocht. Nu heeft een team onder leiding van computerwetenschapper Dion Häfner van het Niels Bohr Instituut in Kopenhagen met behulp van veel gegevens en machine learning een model ontwikkeld dat de vorming van monstergolven verklaart - en ook aangeeft hoe waarschijnlijk het is dat ze voorkomen. Het werk is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift "PNAS" op 20 november 2023.
Een scheepsongeval in december 1978 illustreert hoe gevaarlijk de reusachtige brekers kunnen zijn. Destijds kwam het Duitse vrachtschip "München" in een storm terecht in de Noord-Atlantische Oceaan. De bemanning bleef rustig - een storm zou het 261 meter lange schip geen kwaad doen. Maar kort nadat er een noodoproep was gedaan, verdween het vrachtschip met zijn 28-koppige bemanning. Alleen een paar reddingsboten en zeecontainers werden later geborgen. Op dat moment was de Duitse marine niet in staat om de oorzaak van het zinken vast te stellen. Heden ten dage wordt aangenomen dat het vrachtschip het slachtoffer was van een monstergolf.
Om de scheepvaart tegen dergelijke uitbraken van golven te beschermen, proberen onderzoekers te begrijpen hoe monstergolven ontstaan - en welke omstandigheden ze bevorderen. Daartoe hebben Häfner en zijn collega's vrij beschikbare gegevens over zeegang, deining en de bijbehorende waterdiepten geanalyseerd. Ze verzamelden ook gegevens van boeien op 158 verschillende locaties langs de Amerikaanse kusten en in overzeese gebieden. Alles bij elkaar beschikten de onderzoekers over informatie over meer dan een miljard golven - wat overeenkomt met de oceaanbewegingen van ongeveer 700 jaar.
Monstergolven komen vrij vaak voor
De wetenschappers waren verrast toen ze ontdekten dat monstergolven vaker voorkomen dan verwacht. "We hebben 100.000 monstergolven geregistreerd in onze dataset. Dat komt overeen met ongeveer één zo'n golf per dag," legt computerwetenschapper Johannes Gemmrich, medeauteur van de huidige studie, uit. Ze waren echter niet allemaal extreem groot (een golf met een hoogte van meer dan 20 meter wordt als "extreem" beschouwd). Over het algemeen categoriseerden de onderzoekers een golf als een monstergolf als hij minstens twee keer zo hoog was als de gebruikelijke deining.
Häfner en zijn collega's gebruikten verschillende AI-methoden om de enorme hoeveelheid gegevens te analyseren. Terwijl conventionele AI-systemen simpelweg resultaten uitspugen zonder deze te rechtvaardigen, waren de onderzoekers geïnteresseerd in causale verbanden. Ze wilden machine learning gebruiken om erachter te komen wat de oorzaak is van monstergolven - en niet alleen een waarschijnlijkheid berekenen voor het optreden ervan zonder te weten hoe het AI-model tot het resultaat komt. Daarom ontwikkelden ze een zogenaamd "causaal" model, waarvan de resultaten gecontroleerd en geïnterpreteerd kunnen worden. Het algoritme en de gegevens die door de onderzoekers zijn verzameld, zijn vrij beschikbaar en kunnen door iedereen worden gebruikt.
In feite breken de resultaten van Häfner en zijn collega's met een gangbare verklaring van monstergolven. Sommige experts gingen ervan uit dat de uitschieters ontstaan wanneer verschillende golven voor korte tijd samenkomen en één golf alle energie absorbeert - en verder reist als een monstergolf. Het team van Häfner ontdekte echter dat de overheersende factor een zogenaamde "lineaire superpositie" is: Als golfkammen zich met verschillende snelheden voortplanten, kan het altijd gebeuren dat veel golfkammen elkaar op één punt overlappen en elkaar zodanig versterken dat er een monstergolf ontstaat.
Het algoritme voor de superpositie van golfkammen is gebaseerd op het algoritme van Häfner.
Het door de onderzoekers ontwikkelde algoritme is erop gericht om te voorspellen wanneer de perfecte omstandigheden heersen voor zo'n lineaire overlap. "In principe is het gewoon pech wanneer zo'n reusachtige golf optreedt. Ze worden veroorzaakt door een combinatie van vele factoren," zegt Häfner. Laten we dus hopen dat het algoritme van de onderzoekers werkt - rederijen zouden het al kunnen testen.
Spectrum van de wetenschap
Wij zijn partners van Spektrum der Wissenschaft en willen goed onderbouwde informatie toegankelijker voor je maken. Volg Spektrum der Wissenschaft als je de artikelen leuk vindt.
[[small:]]
Coverafbeelding: Shutterstock / Computer Earth
Deskundigen uit wetenschap en onderzoek doen verslag van de huidige bevindingen op hun gebied - deskundig, authentiek en begrijpelijk.