Od czasu do czasu fale morskie i oceaniczne przejawiaj ogromne dziaanie niszczycielskie, daleko wykraczajce poza zapamitany z wakacji obraz bezmiaru wody widocznej z perspektywy play. S to fale, ktrych wysoko lub stromo znacznie przewysza rozmiary nawet najlepiej rozbudowanych fal sztormowych. Najwysze notowane fale sigay wysokoci 30 metrw. Naukowcy nazywaj je falami ekstremalnymi. Pojawiaj si niespodziewanie z trudnego do zlokalizowania rda. Swoj niszczycielsk si uszkadzaj lub cakowicie niszcz statki oraz budowle hydrotechniczne, np. nabrzea czy platformy wiertnicze. Wystarczy wspomnie, e w cigu ostatnich 20 lat zatopionych zostao 200 duych statkw o dugoci przekraczajcej 200 metrw. Doniesienia o kolejnych zaginionych statkach skoniy naukowcw do podjcia prby wyjanienia tajemniczych znikni. W ramach projektu MaxWave Unii Europejskiej grupa badaczy z Instytutu Budownictwa Wodnego Polskiej Akademii Nauk z Gdaska podja prb wyjanienia powstawania fal ekstremalnych.
Prof. Andrzej Sawicki (z lewej) z jednym ze wsppracownikw
Do bada zaprzgnito najbardziej zaawansowan aparatur naukow. Analizowano zdjcia satelitarne oraz dane zbierane z innych przyrzdw do pomiaru parametrw falowania. Od przeszo 20 lat IBW PAN prowadzi na Morzu Batyckim rejestracj falowania z uyciem boi pomiarowych. Dwa kilometry od brzegu w Lubiatowie jest zakotwiczona taka boja. Mierzy ona wysoko fali, jej maksymalny i redni okres, jak i kierunek nadchodzenia fali do brzegu. Te dane rejestruje komputer i drog radiow przekazuje do pracowni na ldzie. Pracownicy IBW PAN przestudiowali w ramach projektu MaxWave ogromn baz wynikw pomiarowych. Znaleli 414 zapisw falowania zawierajcych fale ekstremalne. Jeden z pomiarw, z marca 2001, zapamita fale o wysokoci a 7,6 m.
Te badania nale do bardzo drogich. Prawie 60 tys. dolarw trzeba wyasygnowa na zakup takiego urzdzenia wyposaonego w najnowsz elektronik. A na tym nie koniec. Boje trzeba ubezpieczy, bo ryzyko utraty urzdzenia na morzu, gdzie sztormy s waciwie codziennoci, jest ogromne. Rocznie kosztuje to przeszo 10 tys. z.
Laboratorium w Lubiatowie, utworzone w 1968, analizuje gwnie zjawiska zachodzce w morzu: falowanie, rozkad prdw, ruch osadw morskich i zmian ich konfiguracji. Prowadzi te szczegowy monitoring zmiennoci linii brzegowej, siy i kierunkw wiatrw, ktre m.in. generuj te procesy. Okrela te moc energii, ktra zostanie skierowana przez fale na ld. S tylko trzy takie placwki badawcze na wiecie: w USA, Japonii i u nas.
Ju we wczesnych latach powojennych, naukowe podstawy techniki morskiej i ksztacenie odpowiedniej kadry naukowej rozwijane byy na rnych wydziaach Politechniki Gdaskiej. Inynierowie budownictwa morskiego, budowy okrtw, transportu morskiego i innych specjalnoci morskich zaczli sygnalizowa brak zaplecza naukowego gromadzcego podstawow wiedz o rodowisku morskim i jego oddziaywaniu na urzdzenia hydrotechniczne. Z inicjatywy Politechniki Gdaskiej w 1951 roku utworzono inyniersk placwk badawcz na brzegu morza w Sopocie, nazwan Stacj Morsk. Wyzwanie to w peniejszym zakresie podja Polska Akademia Nauk, ktra w roku 1953 utworzya Instytut Budownictwa Wodnego, powoany do prowadzenia studiw i bada podstawowych dla szeroko pojtej gospodarki wodnej, budownictwa hydrotechnicznego i inynierii morskiej.
Jak podaje prof. dr hab. in. Andrzej Sawicki, dyrektor IBW PAN, instytut to dzi cztery zakady: Mechaniki Falowania i Dynamiki Konstrukcji, Dynamiki i Inynierii Brzegowej, Geomechaniki oraz Dynamiki Wd Powierzchniowych i Podziemnych. cznie pracuje tu 65 osb.
Istotnym elementem poszukiwa i ustalenia przyczyn powstawania fal ekstremalnych na morzach i oceanach s badania laboratoryjne. Przeprowadzenie ich umoliwia specjalistyczne laboratorium zwane kanaem falowym. Znajduje si ono w wydzielonym budynku o znacznych rozmiarach. Sam kana ma dugo 64,1 m, szeroko zewntrzn 1,25 m i wysoko ponad 2,15 m. Z uwagi na przeznaczenie, parametry, naukow przydatno i moliwoci eksploatacyjne laboratorium jest jedynym tego typu stanowiskiem badawczym w Polsce i jednym z nielicznych na wiecie. Szklane ciany kanau zapewniaj doskona wizualizacj badanych w nim zjawisk.
Wyglda to bardzo widowiskowo. Kana zostaje napeniany wod, a nowoczesny programowalny generator zapewnia wytwarzanie falowania o wysokociach do 0,6 m i dowolnych dugociach przyporzdkowanych okresom powyej 0,5 s. Kocow cz kanau wyposaono w oryginalny „wygaszacz” fal, wykonany w formie porowatej skarpy o nachyleniu 1:7, a uoonej z kilkudziesiciu warstw mat z tworzywa sztucznego. Bardzo wysoki stopie wygaszania praktycznie eliminuje odbicia fal od tylnej ciany kanau i likwiduje niepodane nakadanie si fali odbitej na generowane falowanie progresywne. Stanowisko kontrolno−pomiarowe kanau, wyposaone w zestaw komputerw i elektronicznych urzdze, zabezpiecza programowanie i biec kontrol generacji falowania oraz umoliwia zbieranie wynikw z cyfrow rejestracj pomiarw. W zestawie komputerw znajduje si nowoczesna karta pomiarowa zapewniajca rejestracj 300 tys. danych w cigu sekundy. Zdobyta wiedza pozwolia ju na postawienie kilku hipotez dotyczcych fal ekstremalnych.
Kana falowy pozwala na prowadzenie bada naukowo−poznawczych nad mechanik falowania wodnego oraz jego wspoddziaywania z konstrukcjami i dnem morskim. Umoliwia te realizacj prac na rzecz gospodarki morskiej, szczeglnie w zakresie doboru parametrw przy projektowaniu konstrukcji hydrotechnicznych, jak: falochrony, narzutowe skarpy, nabrzea, opaski brzegowe, elementy morskich platform wiertniczych czy pirsw i podmorskich rurocigw. W kanale falowym IBW PAN w Gdasku wykonano ju setki eksperymentw pozwalajcych na analiz teoretyczn zjawiska pojawiania si fal ekstremalnych i ich skutkw. Wykorzystujc wiedz i moliwoci pomiarw laboratoryjnych, instytut opracowuje ekspertyzy dotyczce np. ustawienia kierunkw wej do portw. I tak Ustka, Koobrzeg czy winoujcie maj od lat problemy z prdami nanoszcymi tzw. rumowisko. Dokadna analiza wielu parametrw pozwala na optymalne zaprojektowanie kanau wejciowego do portu, ktry bdzie czy ld z morzem, a nie dzieli. Warto te wspomnie o intelektualnym wkadzie instytutu w projektowanie ukadu falochronw Portu Pnocnego. Chodzio o zminimalizowanie skutkw falowania na falochron.
Wiele uwagi w swoich pracach badawczych IBW PAN powica aspektom dna morskiego. Jest to szczeglnie istotne przy wejciach do portw, gdzie coraz silniejsze ruby statkw wrcz wyrywaj powierzchnie dna. Specjalici proponuj zastosowanie specjalnych geomembran, zbudowanych z warstw nieprzepuszczalnego tworzywa. Opuszcza si je na dno, a przylegaj do niego dziki wykorzystaniu zjawiska przyssania. Aby jednak taka ochrona dna morskiego moga by uyta, trzeba opracowa i zbudowa ca mechanik przyssania.
Instytut Budownictwa Wodnego PAN w Gdasku prowadzi te niezwykle ciekawe i aplikacyjnie istotne badania dotyczce modelowania upynnienia gruntw. Jak istotne s to analizy, dowiadujemy si dopiero w chwilach wielkich tragedii, np. trzsie ziemi. Potne obiekty – budynki, platformy wiertnicze posadowione w wodzie czy podmorskie rurocigi – potrafi zapada si w kilka sekund. Tragedia ma wymiar nie tylko w stratach ludzkich i kapitaowych, ale te i ekologicznych. Jak zabezpieczy si przed takimi zdarzeniami? Odpowied na to daj badania modelowania upynnienia gruntw.
W nawodnionym gruncie woda pynie przez pory midzy czsteczkami. Pod wpywem trzsienia ziemi i drga, np. pod dnem oceanu, woda nie odpywa z porw, co skutkuje wzrostem cinienia. Kontakty midzy ziarnami staj si wic coraz sabsze, a do cakowitego ich zaniku. Staa struktura, na ktrej posadowiono obiekt, zaczyna robi si pynna. Skutek zazwyczaj jest dramatyczny. Nastpuje upynnienie struktury i nasz obiekt znika „wbity” w pynn mas. Po prostu si zapada. Analiza tego zjawiska i jego wszechstronne opracowanie naukowe pozwalaj unika bdw w wyborze miejsca na budowanie strategicznie wanych obiektw.
Gdask jest miastem o bardzo duym zagroeniu powodziowym. W XIX wieku powodzie w Gdasku i na uawach Gdaskich pojawiay si rednio co trzy, cztery lata, powodujc ogromne zniszczenia. Powodzie powstaway gwnie za spraw zatorw lodowych na odcinku Wisy Gdaskiej (obecnie Martwa Wisa), posiadajcej skomplikowany ukad przestrzenny. Warto przypomnie, e powd w 1829 roku, spowodowana utworzeniem zatoru lodowego poniej twierdzy Wisoujcie, zalaa miasto do poziomu pierwszego pitra.
Powane zagroenia powodziowe Gdaska i uaw istniej nadal. Kierunki tych zagroe to: Martwa Wisa w okresie wezbra sztormowych Batyku, gwne koryto Wisy w przypadku wysokich stanw lub zatorw lodowych na Wile przerywajcych way, a take ze strony wzgrz morenowych w przypadku intensywnych deszczy. Ten przypadek mia miejsce w 2001 roku. Bya to tzw. powd miejska, spowodowana opadem nawalnym na terenie o maej retencji.
Instytut Budownictwa Wodnego PAN bra udzia w opracowaniu projektu strategii ochrony przeciwpowodziowej dla Gdaska. W prace wczyy si take: Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Oddzia Morski w Gdyni, Biuro Projektw i Doradztwa Technicznego Hydroprojekt w Gdasku oraz Przedsibiorstwo Bada i Doradztwa Geomor w Gdasku.
Brzeg morski ulega nieustannym przeobraeniom. Wywouj je gwnie naturalne zjawiska fizyczne: wiatr, falowanie, prdy morskie, ruch osadw czy zmiany dna morskiego. Rwnie ingerencja czowieka pozostawia wyrany lad w uksztatowaniu brzegu morskiego. Jednym z najniebezpieczniejszych procesw wystpujcych na wielu odcinkach polskiego wybrzea Morza Batyckiego jest erozja brzegw i stopniowe cofanie si linii brzegowej. Od 2004 roku zabezpieczenie brzegw morskich przed erozj podlega ustawie z 28.03.2003 o ustanowieniu „Programu ochrony brzegw morskich”.
Erozja brzegw morskich przejawia si zanikiem pla oraz wystpowaniem osuwisk na skarpach nadmorskich wydm i klifw. Postpujce procesy erozyjne zagraaj bezpieczestwu budowli usytuowanych na bezporednim zapleczu brzegw. Degradacja piaszczystych pla utrudnia wykorzystanie brzegu morskiego do celw turystycznych i rekreacyjnych. Stabilno brzegu morskiego, jak wykazay badania IBW PAN, zaley od rwnowagi poszczeglnych skadnikw w bilansie osadw strefy przybrzenej. W Polsce okoo 60−70 proc. dugoci wybrzea ulega mniej lub bardziej intensywnej erozji, ktrej towarzyszy cofanie si linii brzegowej z prdkoci 0,5 – 0,9 m/rok.
Ostatnio obserwowane i prognozowane na nastpne lata zmiany klimatyczne s rdem wzrostu intensywnoci i czstoci wystpowania silnych sztormw oraz podnoszenia si poziomu morza. Efekty te powoduj dodatkowe wzmoenie erozji brzegw. W celu ochrony brzegu morskiego przed erozj ustawa przewiduje sztuczne zasilanie piaskiem, modernizacj i budow umocnie brzegowych, jak rwnie odwodnienie klifw. Optymalizacja przedsiwzi ukierunkowanych na zabezpieczenie brzegw morskich przed zjawiskiem erozji wymaga dogbnego rozpoznania fizyki ruchw wody i osadw w morskiej strefie brzegowej. Rozpoznaniu temu su teoretyczne i praktyczno−eksperymentalne badania naukowe.
I takie wanie badania prowadzone s w Instytucie Budownictwa Wodnego PAN, co podnosi znaczenie tej placwki na mapie nauki polskiej.