Considerate a lungo un mito, le onde anomale straordinariamente grandi sono molto reali e possono dividere le navi e persino danneggiare le piattaforme petrolifere. Utilizzando 700 anni di dati sulle onde provenienti da oltre un miliardo di onde, gli scienziati dell’Università di Copenaghen e dell’Università di Victoria hanno utilizzato l’intelligenza artificiale per trovare una formula su come prevedere il verificarsi di questi mostri marittimi. Le nuove conoscenze possono rendere la spedizione più sicura.
Le storie di onde mostruose, chiamate onde anomale, sono state la tradizione dei marinai per secoli. Ma quando un’onda anomala alta 26 metri si schiantò sulla piattaforma petrolifera norvegese Draupner nel 1995, gli strumenti digitali erano lì per catturare e misurare il mostro del Mare del Nord. Era la prima volta che un’entità anomala veniva misurata e forniva prove scientifiche dell’esistenza reale di onde oceaniche anomale.
Da allora, queste onde estreme sono state oggetto di molti studi. E ora, i ricercatori del Niels Bohr Institute dell’Università di Copenaghen hanno utilizzato metodi di intelligenza artificiale per scoprire un modello matematico che fornisce una ricetta su come – e non ultimo quando – possono verificarsi le onde anomale.
Con l’aiuto di enormi quantità di big data sui movimenti oceanici, i ricercatori possono prevedere la probabilità di essere colpiti da un’onda mostruosa in mare in un dato momento.
“In sostanza, porta solo molta sfortuna quando si colpisce una di queste onde giganti. Esse sono causate da una combinazione di molti fattori che, fino ad ora, non sono stati combinati in un’unica stima del rischio. Nello studio, abbiamo mappato le variabili causali che creano onde anomale e hanno utilizzato l’intelligenza artificiale per riunirle in un modello in grado di calcolare la probabilità della formazione di onde anomale”, afferma Dion Häfner.
Häfner è un ex dottorando presso il Niels Bohr Institute e primo autore dello studio scientifico, appena pubblicato sulla rivista Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS).
Le onde anomale si verificano ogni giorno
Nel loro modello, i ricercatori hanno combinato i dati disponibili sui movimenti oceanici e sullo stato del mare, nonché sulla profondità dell’acqua e sulle informazioni batimetriche. Ancora più importante, i dati sulle onde sono stati raccolti da boe in 158 diverse località lungo le coste degli Stati Uniti e nei territori d’oltremare che raccolgono dati 24 ore al giorno. Se combinati, questi dati – provenienti da più di un miliardo di onde – contengono 700 anni di informazioni sull’altezza delle onde e sullo stato del mare.
I ricercatori hanno analizzato i numerosi tipi di dati per trovare le cause delle onde anomale, definite come onde che sono almeno due volte più alte delle onde circostanti, comprese le onde anomale estreme che possono essere alte più di 20 metri. Con l’apprendimento automatico, hanno trasformato il tutto in un algoritmo che è stato poi applicato al loro set di dati.
“La nostra analisi dimostra che onde anomale si verificano continuamente. Infatti, abbiamo registrato nel nostro set di dati 100.000 onde che possono essere definite come onde anomale. Ciò equivale a circa 1 onda mostruosa che si verifica ogni giorno in qualsiasi posizione casuale nell’oceano. Tuttavia, non sono tutte onde mostruose di dimensioni estreme”, spiega Johannes Gemmrich, il secondo autore dello studio.
L’intelligenza artificiale come scienziato
Nello studio i ricercatori sono stati aiutati dall’intelligenza artificiale. Hanno utilizzato diversi metodi di intelligenza artificiale, inclusa la regressione simbolica che fornisce un’equazione come output, anziché restituire semplicemente una singola previsione come fanno i metodi di intelligenza artificiale tradizionali.
Esaminando più di 1 miliardo di onde, l’algoritmo dei ricercatori ha analizzato il proprio modo di trovare le cause delle onde anomale e le ha condensate in un’equazione che descrive la ricetta per un’onda anomala. L’intelligenza artificiale apprende la causalità del problema e la comunica agli esseri umani sotto forma di un’equazione che i ricercatori possono analizzare e incorporare nella loro ricerca futura.
“Nel corso dei decenni, Tycho Brahe raccolse osservazioni astronomiche dalle quali Keplero, dopo molti tentativi ed errori, riuscì a ricavare le Leggi di Keplero. Dion usò macchine per fare con le onde ciò che Keplero fece con i pianeti. Per me, è ancora scioccante che qualcosa di simile questo è possibile”, dice Markus Jochum.
Fenomeno noto fin dal 1700
Il nuovo studio rompe anche con la percezione comune di ciò che causa le onde anomale. Fino ad ora, si credeva che la causa più comune di un’onda anomala fosse quando un’onda si combinava brevemente con un’altra e ne rubava l’energia, facendo sì che una grande onda si spostasse.
Tuttavia, i ricercatori stabiliscono che il fattore più dominante nella materializzazione di queste onde anomale è ciò che è noto come “sovrapposizione lineare”. Il fenomeno, noto fin dal 1700, si verifica quando due sistemi di onde si incrociano e si rinforzano a vicenda per un breve periodo di tempo.
“Se due sistemi di onde si incontrano in mare in un modo che aumenta la possibilità di generare alte creste seguite da profonde depressioni, sorge il rischio di onde estremamente grandi. Questa è una conoscenza che esiste da 300 anni e che ora stiamo supportando con i dati “, dice Dion Häfner.
Spedizioni più sicure
L’algoritmo dei ricercatori è una buona notizia per l’industria marittima, che in ogni momento conta circa 50.000 navi mercantili che navigano in tutto il pianeta. Infatti, con l’aiuto dell’algoritmo, sarà possibile prevedere quando sarà presente questa combinazione “perfetta” di fattori per aumentare il rischio di un’onda mostruosa che potrebbe rappresentare un pericolo per chiunque si trovi in mare.
“Poiché le compagnie di navigazione pianificano le loro rotte con largo anticipo, possono utilizzare il nostro algoritmo per ottenere una valutazione del rischio per verificare se esiste la possibilità di incontrare pericolose onde anomale lungo il percorso. Sulla base di ciò, possono scegliere rotte alternative”, afferma Dion Häfner .
Sia l’algoritmo che la ricerca sono disponibili al pubblico, così come i dati meteorologici e sulle onde utilizzati dai ricercatori. Pertanto Dion Häfner afferma che le parti interessate, come le autorità pubbliche e i servizi meteorologici, possono facilmente iniziare a calcolare la probabilità delle onde anomale. E a differenza di molti altri modelli creati utilizzando l’intelligenza artificiale, tutti i calcoli intermedi nell’algoritmo dei ricercatori sono trasparenti.
“L’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico sono tipicamente scatole nere che non aumentano la comprensione umana. Ma in questo studio, Dion ha utilizzato metodi di intelligenza artificiale per trasformare un enorme database di osservazioni di onde in una nuova equazione per la probabilità delle onde anomale, che può essere facilmente compresa dalle persone e legato alle leggi della fisica”, conclude il professor Markus Jochum, relatore della tesi di Dion e coautore.
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