Oleaje (océano)

Un oleaje, también denominado a veces oleaje de fondo, en el contexto de un océano, mar o lago, es una serie de ondas mecánicas que se propagan a lo largo de la interfaz entre el agua y el aire bajo la influencia predominante de la gravedad y, por lo tanto, a menudo se las denomina ondas de gravedad superficiales. Estas ondas de gravedad superficiales tienen su origen como ondas de viento, pero son consecuencia de la dispersión de ondas de viento desde sistemas climáticos distantes, donde el viento sopla durante un tiempo sobre una extensión de agua y estas ondas se alejan del área de origen a velocidades que son función del período y la longitud de la onda. De manera más general, un oleaje consiste en olas generadas por el viento que no se ven muy afectadas por el viento local en ese momento. Las olas de oleaje suelen tener una longitud de onda relativamente larga, ya que las ondas de longitud de onda corta transportan menos energía y se disipan más rápido, pero esto varía debido al tamaño, la fuerza y la duración del sistema climático responsable del oleaje y el tamaño de la masa de agua, y varía de un evento a otro, y del mismo evento, a lo largo del tiempo. Ocasionalmente, se producen marejadas de más de 700 m como resultado de las tormentas más severas.

La dirección del oleaje es la dirección desde la cual se mueve el oleaje. Se da como una dirección geográfica, ya sea en grados o en puntos cardinales, como el oleaje NNW o SW, y al igual que los vientos, la dirección dada es generalmente la dirección de donde proviene el oleaje. Las olas tienen un rango más estrecho de frecuencias y direcciones que las ondas de viento generadas localmente, porque se han dispersado desde su área de generación y con el tiempo tienden a clasificarse según la velocidad de propagación, siendo las ondas más rápidas las que pasan primero por un punto distante. Las olas adquieren una forma y dirección más definidas y son menos aleatorias que las olas de viento generadas localmente.

Formación

Las grandes olas observadas en la costa pueden deberse a sistemas meteorológicos distantes sobre el océano. Cinco factores trabajan juntos para determinar el tamaño de las olas del viento que se convertirán en marejada del océano:

• Velocidad del viento – el viento debe moverse más rápido que la cresta de onda (en la dirección en que viaja la cresta de onda) para la transferencia de energía neta del aire al agua; vientos prolongados más fuertes crean ondas más grandes
• La distancia ininterrumpida del agua abierta sobre la cual el viento sopla sin cambios significativos en la dirección (llamada la .)
• Ancho de superficie de agua en la hembra
• Duración del viento – el tiempo en que el viento ha soplado sobre la embrague
• Profundidad del agua

Una onda se describe utilizando las siguientes dimensiones:

• Altura de la onda (de la masa a la cresta)
• Longitud de la onda (de la cresta a la cresta)
• Período de onda (intervalo de tiempo entre la llegada de crestas consecutivas a un punto estacionario)
• Dirección de propagación de onda

La longitud de la onda es una función del período y de la profundidad del agua para profundidades inferiores a aproximadamente la mitad de la longitud de la onda, donde el movimiento de las olas se ve afectado por la fricción con el fondo.

Un mar completamente desarrollado tiene el tamaño de ola máximo teóricamente posible para un viento de una fuerza y alcance específicos. Una mayor exposición a ese viento específico daría como resultado una pérdida de energía igual a la entrada de energía que da un estado estable, debido a la disipación de energía debido a la viscosidad y la rotura de las puntas de las olas como "cabrillas blancas".

Las olas en un área determinada suelen tener una variedad de alturas. Para los informes meteorológicos y el análisis científico de las estadísticas de las olas de viento, su altura característica durante un intervalo de tiempo suele expresarse como altura de ola significativa. Esta cifra representa una altura promedio del tercio más alto de las olas en un período de tiempo determinado (generalmente elegido entre 20 minutos y doce horas), o en un sistema de olas o tormentas específico. La altura significativa de las olas es también el valor que un "observador entrenado" (por ejemplo, de la tripulación de un barco) se estimaría a partir de la observación visual del estado del mar. Dada la variabilidad de la altura de las olas, es probable que las olas individuales más grandes tengan algo menos del doble de la altura de ola significativa.

Fuentes de generación de olas de viento

Las olas de viento son generadas por el viento. Otros tipos de perturbaciones, como los eventos sísmicos, también pueden causar ondas de gravedad, pero no son ondas de viento y, por lo general, no provocan oleaje. La generación de ondas de viento se inicia por las perturbaciones del campo de viento cruzado en la superficie del agua.

Para las condiciones iniciales de una superficie de agua plana (Escala Beaufort 0) y flujos abruptos de viento cruzado en la superficie del agua, la generación de ondas de viento en la superficie puede explicarse por dos mecanismos, que se inician por las fluctuaciones normales de presión de los vientos turbulentos. y flujos paralelos de cizalladura del viento.

Generación de ondas superficiales por vientos

A partir de "fluctuaciones del viento": la formación de ondas de viento se inicia mediante una distribución aleatoria de la presión normal que actúa sobre el agua debido al viento. Mediante este mecanismo, propuesto por O.M. Phillips en 1957, la superficie del agua está inicialmente en reposo y la generación de la ola es iniciado por corrientes de viento turbulentas y luego por fluctuaciones del viento, la presión normal que actúa sobre la superficie del agua. Debido a esta fluctuación de presión surgen tensiones normales y tangenciales que generan un comportamiento ondulatorio en la superficie del agua.

Los supuestos de este mecanismo son los siguientes:

• El agua está originalmente en reposo;
• El agua es invisible;
• El agua es irrotacional;
• La presión normal a la superficie del agua del viento turbulento se distribuye aleatoriamente; y
• Se descuidan las correlaciones entre los movimientos de aire y agua.

De "fuerzas de tijera de viento": En 1957, John W. Miles sugirió un mecanismo de generación de ondas superficiales que se inicia por flujos de derrame de viento turbulentos, ${\displaystyle Ua(y)}$, basado en la ecuación invisiva Orr-Sommerfeld. Encontró que la transferencia de energía del viento a la superficie del agua como una velocidad de onda, ${\displaystyle c}$, es proporcional a la curvatura del perfil de velocidad del viento, ${\displaystyle Ua'(y)}$, en el punto donde la velocidad del viento medio es igual a la velocidad de onda (${\displaystyle Ua=c$, donde ${\displaystyle Ua.$ es la media velocidad del viento turbulento). Desde el perfil del viento, ${\displaystyle Ua(y)}$, es logarítmica a la superficie del agua, la curvatura, ${\displaystyle Ua'(y)}$, tiene un signo negativo en el punto ${\displaystyle Ua=c$. Esta relación muestra el flujo del viento transfiriendo su energía cinética a la superficie del agua en su interfaz, y de ahí surge la velocidad de onda, ${\displaystyle c}$. La tasa de crecimiento puede determinarse por la curvatura de los vientos (${\displaystyle (d^{2}Ua)/(dz^{2}}$) en la altura de dirección (${\displaystyle Ua(z=z_{h}=c}$) para una velocidad de viento dada, ${\displaystyle Ua.$.

Los supuestos de este mecanismo son:

• 2-dimensional, flujo de corte paralelo, ${\displaystyle Ua(y)}$.
• Agua incompresible e invisible.
• Agua irrotacional.
• Pequeña pendiente del desplazamiento de la superficie.

Generalmente, estos mecanismos de formación de olas ocurren juntos en la superficie del océano, dando lugar a olas de viento que eventualmente crecen hasta convertirse en olas completamente desarrolladas. Si se supone una superficie del mar muy plana (número de Beaufort, 0), y un flujo repentino de viento sopla constantemente a través de ella, el proceso físico de generación de olas sería así:

1. Los flujos de viento turbulentos forman fluctuaciones de presión aleatoria en la superficie del mar. Las ondas pequeñas con unas cuantas centímetros orden de longitudes de onda se generan por las fluctuaciones de presión (mecanismo Phillips).
2. El viento cruzado sigue actuando en la superficie del mar inicialmente fluctuada. Luego las olas se vuelven más grandes, y como lo hacen, las diferencias de presión aumentan, y la inestabilidad resultante acelera el crecimiento de ondas de manera exponencial (mecanismo Miles).
3. La interacción entre las ondas en la superficie genera ondas más largas (Hasselmann et al., 1973) y esta interacción transfiere energía de las ondas más cortas generadas por el mecanismo Miles a aquellas que tienen frecuencias ligeramente inferiores a las magnitudes de onda pico. En última instancia, la velocidad de onda se hace más alta que la del viento de la cruz (Pierson & Moskowitz).

• (Nota: La mayoría de las velocidades de onda calculadas a partir de la longitud de onda dividida por el período son proporcionales a la raíz cuadrada de la longitud. Así, excepto por la longitud de onda más corta, las olas siguen la teoría del agua profunda descrita en la siguiente sección. La onda larga de 8,5 m debe estar ya sea en aguas poco profundas o entre profundas y poco profundas.)

Desarrollo

Las ondas de oleaje largas se desarrollan y toman energía de las ondas de viento más cortas. El proceso fue descrito por primera vez por Klaus Hasselmann (ganador del Premio Nobel de 2021) después de investigar los efectos no lineales que se pronuncian más cerca de los picos de las ondas más altas. Mostró que, a través de estas no linealidades, dos trenes de onda en aguas profundas pueden interactuar para generar dos nuevos conjuntos de olas, uno generalmente de más tiempo y el otro de longitud de onda más corta.

La ecuación que Hasselmann desarrolló para describir este proceso ahora se usa en los modelos de estado del mar (por ejemplo, WaveWatch III) utilizada por todos los principales centros de pronóstico climático y climático. Esto se debe a que tanto el mar del viento como el oleaje tienen efectos significativos en la transferencia de calor del océano a la atmósfera. Esto afecta tanto a los sistemas climáticos a gran escala, como el Niño, como los sistemas de menor escala, como las depresiones atmosféricas que se desarrollan cerca de los bordes de la corriente del Golfo.

Es difícil explicar una buena descripción física del proceso de Hasselmann, pero los efectos no lineales son mayores cerca de los picos de las olas más altas y las ondas cortas, que a menudo rompen cerca de la misma posición, pueden usarse como analogía. . Esto se debe a que cada pequeña ola que rompe da un pequeño empujón a la ola más larga sobre la que rompe. Desde el punto de vista de la onda larga, está recibiendo un pequeño empujón en cada una de sus crestas al igual que un swing al que se le da un pequeño empujón en el momento justo. Tampoco hay un efecto comparable en el valle de la onda, un término que tendería a reducir el tamaño de la onda larga.

Desde el punto de vista de un físico, este efecto es de gran interés porque muestra cómo, lo que comienza como un campo de ondas aleatorio, puede generar el orden de un largo tren de ondas de oleaje a costa de las pérdidas de energía y el aumento de desorden que afecta a todas las pequeñas olas rompientes. La clasificación del tamaño de los granos de arena, que se ve a menudo en una playa, es un proceso similar (como lo es gran parte de la vida).

Disipación

La disipación de la energía del oleaje es mucho más fuerte en el caso de ondas cortas, por lo que el oleaje de tormentas distantes es solo ondas largas. La disipación de olas con períodos superiores a 13 segundos es muy débil pero sigue siendo significativa a escala del Océano Pacífico. Estas largas olas pierden la mitad de su energía en una distancia que varía desde más de 20.000 kilómetros (la mitad de la distancia alrededor del mundo) hasta poco más de 2.000 kilómetros. Se descubrió que esta variación era una función sistemática de la inclinación del oleaje: la relación entre la altura del oleaje y la longitud de onda. La razón de este comportamiento aún no está clara, pero es posible que esta disipación se deba a la fricción en la interfaz aire-mar.

Dispersión del oleaje y grupos de olas

Las oleadas son creadas a menudo por tormentas a miles de millas náuticas de distancia de las costas donde se rompen, y la propagación de los oleajes más largos está principalmente limitada por las costas. Por ejemplo, las oleadas generadas en el Océano Índico han sido registradas en California después de más de media vuelta al mundo. Esta distancia permite que las olas que componen las olas estén mejor ordenadas y libres de chop mientras viajan hacia la costa. Las olas generadas por los vientos de tormenta tienen la misma velocidad y se agrupan y viajan entre sí, mientras que otras se mueven a una fracción de un metro por segundo más lento se retrasarán, llegando muchas horas más tarde debido a la distancia cubierta. El tiempo de propagación de la fuente t es proporcional a la distancia X dividido por el período de onda T. En aguas profundas es ${\displaystyle t=4\pi X/(gT)}$ donde g es la aceleración de la gravedad. Para una tormenta situada a 10.000 km, se hincha con un período T=15 s llegará 10 días después de la tormenta, seguido por 14 hinchas otras 17 horas más tarde, y así sucesivamente.

La llegada dispersa de las olas, comenzando con el período más largo, con una reducción en el período pico de la ola a lo largo del tiempo, se puede utilizar para calcular la distancia a la que se generaron las olas.

Mientras que el estado del mar en la tormenta tiene un espectro de frecuencias con más o menos la misma forma (es decir, un pico bien definido con frecuencias dominantes dentro de más o menos el 7% del pico), los espectros del oleaje son cada vez más estrechos, a veces hasta el 2% o menos, a medida que las ondas se dispersan cada vez más lejos. El resultado es que los grupos de olas (llamados conjuntos por los surfistas) pueden tener una gran cantidad de olas. De unas siete olas por grupo en la tormenta, esta cifra aumenta a 20 o más en olas de tormentas muy distantes.

Impactos costeros

Al igual que para todas las ondas de agua, el flujo de energía es proporcional a la altura de onda significativa tiempos cuadrados de la velocidad del grupo. En aguas profundas, esta velocidad de grupo es proporcional al período de onda. Por lo tanto se hincha con períodos más largos puede transferir más energía que las ondas de viento más cortas. Además, la amplitud de las ondas de infragravedad aumenta dramáticamente con el período de onda (aproximadamente el cuadrado del período), que resulta en más alto.

Como las olas de oleaje suelen tener longitudes de onda largas (y, por lo tanto, una base de ola más profunda), comienzan el proceso de refracción (ver olas de agua) a mayores distancias de la costa (en aguas más profundas) que las olas generadas localmente.

Dado que las olas generadas por el oleaje se mezclan con las olas del mar normales, pueden ser difíciles de detectar a simple vista (especialmente lejos de la costa) si no son significativamente más grandes que las olas normales. Desde el punto de vista del análisis de la señal, se puede considerar el oleaje como una señal de onda bastante regular (aunque no continua) que existe en medio de un ruido fuerte (es decir, ondas normales y cortes).

Navegación

Los navegantes de Micronesia utilizaban el oleaje para mantener el rumbo cuando no había otras pistas disponibles, como en las noches de niebla.