Rigonfiamento (oceano) - Swell (ocean)

Onde che si infrangono a Hermosa Beach , California

Un moto ondoso , a volte indicato anche come moto ondoso , nel contesto di un oceano , mare o lago , è una serie di onde meccaniche che si propagano lungo l'interfaccia tra l'acqua e l'aria sotto l'influenza predominante della gravità, e quindi sono spesso indicati come onde gravitazionali superficiali . Queste onde superficie gravitazionali hanno origine come onde del vento , ma sono la conseguenza di dispersione delle onde del vento da lontane sistemi di tempo , in cui soffia il vento per una durata di tempo su una recuperano di acqua, e queste onde si muovono fuori dall'area sorgente a velocità che sono funzione del periodo e della lunghezza d'onda. Più in generale, un moto ondoso è costituito da onde generate dal vento che non sono molto influenzate dal vento locale in quel momento. Le onde di swell hanno spesso una lunghezza d'onda relativamente lunga , poiché le onde di lunghezza d'onda corte trasportano meno energia e si dissipano più velocemente, ma questo varia a causa delle dimensioni, della forza e della durata del sistema meteorologico responsabile dell'ondata e delle dimensioni del corpo idrico, e varia da evento a evento, e dallo stesso evento, nel tempo. Occasionalmente, si verificano mareggiate più lunghe di 700 m a causa delle tempeste più violente.

La direzione del moto ondoso è la direzione da cui si muove il moto ondoso. È data come una direzione geografica, in gradi, o in punti cardinali , come le onde da NNW o SW, e come i venti, la direzione data è generalmente la direzione da cui proviene l'onda. Le onde hanno una gamma più ristretta di frequenze e direzioni rispetto alle onde del vento generate localmente, perché si sono disperse dalla loro area di generazione e nel tempo tendono a ordinare per velocità di propagazione con le onde più veloci che passano per prime in un punto distante. Le onde assumono una forma e una direzione più definite e sono meno casuali delle onde di vento generate localmente.

Formazione

I grandi frangenti osservati su una spiaggia possono derivare da sistemi meteorologici lontani sull'oceano. Cinque fattori lavorano insieme per determinare la dimensione delle onde del vento che diventeranno mareggiate:

  • Velocità del vento: il vento deve muoversi più velocemente della cresta dell'onda (nella direzione in cui viaggia la cresta dell'onda) per il trasferimento netto di energia dall'aria all'acqua; venti più forti e prolungati creano onde più grandi
  • La distanza ininterrotta di acque libere su cui soffia il vento senza significativi cambiamenti di direzione (chiamato fetch )
  • Larghezza della superficie dell'acqua nel recupero
  • Durata del vento: il tempo durante il quale il vento ha soffiato sul recupero
  • Profondità dell'acqua

Un'onda è descritta utilizzando le seguenti dimensioni:

La lunghezza d'onda è una funzione del periodo e della profondità dell'acqua per profondità inferiori a circa la metà della lunghezza d'onda, dove il moto ondoso è influenzato dall'attrito con il fondale.

Effetti dell'onda di acque profonde sul movimento delle particelle d'acqua ( deriva di Stokes ).

Un mare completamente sviluppato ha la dimensione d'onda massima teoricamente possibile per un vento di una forza e un carico specifici. Un'ulteriore esposizione a quel vento specifico comporterebbe una perdita di energia pari all'energia immessa dando uno stato stazionario, a causa della dissipazione di energia dalla viscosità e dalla rottura delle cime delle onde come "whitecaps".

Le onde in una data area in genere hanno una gamma di altezze. Per i rapporti meteorologici e per l'analisi scientifica delle statistiche sulle onde del vento, la loro altezza caratteristica in un intervallo di tempo è solitamente espressa come altezza significativa dell'onda . Questa cifra rappresenta un'altezza media del terzo più alto delle onde in un dato periodo di tempo (di solito scelto da qualche parte nell'intervallo da 20 minuti a dodici ore), o in uno specifico sistema di onde o tempeste. L'altezza significativa dell'onda è anche il valore che un "osservatore addestrato" (ad esempio dall'equipaggio di una nave) stimerebbe dall'osservazione visiva dello stato del mare. Data la variabilità dell'altezza delle onde, è probabile che le singole onde più grandi siano leggermente inferiori al doppio dell'altezza significativa dell'onda.

Le fasi di un'onda di superficie oceanica: 1. Wave Crest, dove le masse d'acqua dello strato superficiale si muovono orizzontalmente nella stessa direzione del fronte d'onda che si propaga. 2. Onda che cade. 3. Trogolo, dove le masse d'acqua dello strato superficiale si muovono orizzontalmente nella direzione opposta alla direzione del fronte d'onda. 4. Onda crescente.

Fonti di generazione di onde eoliche

Attraversare il mare di onde di marea poco profonde vicino al faro delle balene (Phare des Baleines), Île de Ré

Le onde del vento sono generate dal vento. Anche altri tipi di perturbazioni, come gli eventi sismici , possono causare onde gravitazionali, ma non sono onde di vento e generalmente non provocano rigonfiamenti. La generazione delle onde del vento è iniziata dalle perturbazioni del campo di vento laterale sulla superficie dell'acqua.

Per le condizioni iniziali di una superficie dell'acqua piatta ( Beaufort Scale 0) e improvvisi flussi di vento trasversale sulla superficie dell'acqua, la generazione di onde di vento di superficie può essere spiegata da due meccanismi, che sono avviati dalle normali fluttuazioni di pressione dei venti turbolenti e del vento parallelo flussi di taglio.

Generazione di onde di superficie da parte dei venti

Il meccanismo di formazione delle onde

Da "fluttuazioni del vento" : la formazione dell'onda del vento è iniziata da una distribuzione casuale della pressione normale che agisce sull'acqua dal vento. Con questo meccanismo, proposto da OM Phillips nel 1957, la superficie dell'acqua è inizialmente ferma, e la generazione dell'onda è iniziata dai flussi turbolenti del vento e quindi dalle fluttuazioni del vento, pressione normale che agisce sulla superficie dell'acqua. A causa di questa fluttuazione di pressione si verificano sollecitazioni normali e tangenziali che generano un comportamento ondulatorio sulla superficie dell'acqua.

Le ipotesi di questo meccanismo sono le seguenti:

  • L'acqua è originariamente a riposo;
  • L'acqua non è viscosa ;
  • L'acqua è irrotazionale ;
  • La pressione normale alla superficie dell'acqua dal vento turbolento è distribuita casualmente; e
  • Si trascurano le correlazioni tra i moti dell'aria e dell'acqua.

Da "forze di taglio del vento" : Nel 1957, John W. Miles suggerì un meccanismo di generazione di onde di superficie che viene avviato da flussi turbolenti di taglio del vento , basato sull'equazione non viscosa di Orr-Sommerfeld . Ha scoperto che il trasferimento di energia dal vento alla superficie dell'acqua come velocità dell'onda, , è proporzionale alla curvatura del profilo di velocità del vento, , nel punto in cui la velocità media del vento è uguale alla velocità dell'onda ( , dove è la media velocità del vento turbolento). Poiché il profilo del vento, , è logaritmico rispetto alla superficie dell'acqua, la curvatura, , ha segno negativo nel punto . Questa relazione mostra il flusso del vento che trasferisce la sua energia cinetica alla superficie dell'acqua alla loro interfaccia, e da qui nasce la velocità dell'onda, . Il tasso di crescita può essere determinato dalla curvatura dei venti ( ) all'altezza di governo ( ) per una data velocità del vento, .

Le ipotesi di questo meccanismo sono:

  • Flusso di taglio parallelo bidimensionale, .
  • Acqua/vento incomprimibile e non viscoso.
  • Irrotazionale acqua.
  • Piccola pendenza dello spostamento della superficie.


Generalmente, questi meccanismi di formazione delle onde si verificano insieme sulla superficie dell'oceano, dando origine a onde del vento che alla fine si trasformano in onde completamente sviluppate. Se si suppone una superficie del mare molto piatta (numero di Beaufort, 0), e un flusso di vento improvviso soffia costantemente attraverso di essa, il processo di generazione delle onde fisiche sarebbe come questo:

  1. I flussi di vento turbolento formano fluttuazioni di pressione casuali sulla superficie del mare. Piccole onde con lunghezze d'onda dell'ordine di pochi centimetri sono generate dalle fluttuazioni di pressione (meccanismo di Phillips).
  2. Il vento trasversale continua ad agire sulla superficie del mare inizialmente fluttuata. Quindi le onde diventano più grandi e, mentre lo fanno, le differenze di pressione aumentano e l'instabilità di taglio risultante accelera la crescita delle onde in modo esponenziale (meccanismo di miglia).
  3. L'interazione tra le onde sulla superficie genera onde più lunghe (Hasselmann et al., 1973) e questa interazione trasferisce energia dalle onde più corte generate dal meccanismo di Miles a quelle che hanno frequenze leggermente inferiori rispetto alle magnitudini delle onde di picco. In definitiva, la velocità dell'onda diventa superiore a quella del vento trasversale (Pierson & Moskowitz).
Condizioni necessarie per un mare completamente sviluppato a determinate velocità del vento e parametri delle onde risultanti
Condizioni del vento Dimensione dell'onda
Velocità del vento in una direzione Andare a prendere Durata del vento Altezza media Lunghezza d'onda media Periodo e velocità medi
19 km/h (12 mph; 10 nodi) 19 km (12 miglia) 2 ore 0,27 m (0,89 piedi) 8,5 m (28 piedi) 3,0 s, 2,8 m/s (9,3 piedi/s)
37 chilometri all'ora (23 mph; 20 nodi) 139 chilometri (86 miglia) 10 ore 1,5 m (4,9 piedi) 33,8 m (111 piedi) 5,7 s, 5,9 m/s (19,5 piedi/s)
56 chilometri all'ora (35 mph; 30 nodi) 518 km (322 miglia) 23 ore 4,1 m (13 piedi) 76,5 m (251 piedi) 8,6 s, 8,9 m/s (29,2 piedi/s)
74 chilometri all'ora (46 mph; 40 nodi) 1.313 chilometri (816 miglia) 42 ore 8,5 m (28 piedi) 136 m (446 piedi) 11,4 s, 11,9 m/s (39,1 piedi/s)
92 chilometri all'ora (57 mph; 50 nodi) 2.627 chilometri (1.632 miglia) 69 ore 14,8 m (49 piedi) 212,2 m (696 piedi) 14,3 s, 14,8 m/s (48,7 piedi/s)
  • (Nota: la maggior parte delle velocità delle onde calcolate dalla lunghezza d'onda divisa per il periodo sono proporzionali alla radice quadrata della lunghezza. Pertanto, ad eccezione della lunghezza d'onda più corta, le onde seguono la teoria delle acque profonde descritta nella sezione successiva. Gli 8,5 m l'onda lunga deve trovarsi in acque poco profonde o tra profonde e basse.)

Sviluppo

Le onde lunghe di moto ondoso si sviluppano e prendono energia dalle onde di vento più corte. Il processo è stato descritto per la prima volta da Klaus Hasselmann (premio Nobel 2021) dopo aver studiato gli effetti non lineari più pronunciati vicino ai picchi delle onde più alte. Ha mostrato che, attraverso queste non linearità, due treni d'onde in acque profonde possono interagire per generare due nuovi insiemi di onde, uno generalmente di lunghezza d'onda più lunga e l'altro di lunghezza d'onda più corta.

L'equazione sviluppata da Hasselmann per descrivere questo processo è ora utilizzata nei modelli dello stato del mare (ad esempio Wavewatch III) utilizzati da tutti i principali centri di previsione meteorologica e climatica. Questo perché sia ​​il vento del mare che il moto ondoso hanno effetti significativi sul trasferimento di calore dall'oceano all'atmosfera. Ciò riguarda sia i sistemi climatici su larga scala, come El Niño , sia i sistemi su scala ridotta, come le depressioni atmosferiche che si sviluppano vicino ai bordi della Corrente del Golfo .

Una buona descrizione fisica del processo di Hasselmann è difficile da spiegare, ma gli effetti non lineari sono maggiori vicino ai picchi delle onde più alte e le onde corte, che spesso si rompono vicino alla stessa posizione, possono essere usate come analogia. Questo perché ogni piccola onda che si infrange dà una piccola spinta all'onda più lunga su cui si infrange. Dal punto di vista dell'onda lunga, sta ricevendo una piccola spinta su ciascuna delle sue creste proprio come un'altalena riceve una piccola spinta al momento giusto. Non vi è inoltre alcun effetto comparabile nella depressione dell'onda - un termine che tenderebbe a ridurre le dimensioni dell'onda lunga.

Dal punto di vista di un fisico questo effetto è di ulteriore interesse perché mostra come, ciò che inizia come un campo di onde casuali, può generare l'ordine di un lungo treno di onde di rigonfiamento a scapito delle perdite di energia e dell'aumento del disordine che colpisce tutti le piccole onde che si infrangono. Lo smistamento delle dimensioni dei granelli di sabbia, spesso visto su una spiaggia, è un processo simile (come molta vita ).

Dissipazione

La dissipazione dell'energia del rigonfiamento è molto più forte per le onde corte, motivo per cui gli swell da tempeste lontane sono solo onde lunghe. La dissipazione delle onde con periodi maggiori di 13 secondi è molto debole ma comunque significativa alla scala dell'Oceano Pacifico. Questi lunghi rigonfiamenti perdono metà della loro energia su una distanza che varia da oltre 20.000 km (metà della distanza intorno al globo) a poco più di 2.000 km. Questa variazione è risultata essere una funzione sistematica della pendenza dell'onda: il rapporto tra l'altezza dell'onda e la lunghezza d'onda. La ragione di questo comportamento non è ancora chiara, ma è possibile che questa dissipazione sia dovuta all'attrito all'interfaccia aria-mare.

Swell dispersione e gruppi d'onda

Le onde sono spesso create da tempeste a migliaia di miglia nautiche di distanza dalle coste dove si rompono e la propagazione delle onde più lunghe è principalmente limitata dalle coste. Ad esempio, le mareggiate generate nell'Oceano Indiano sono state registrate in California dopo più di mezzo giro del mondo. Questa distanza consente alle onde che compongono gli swell di essere ordinate meglio e prive di chop mentre viaggiano verso la costa. Le onde generate dai venti di tempesta hanno la stessa velocità e si raggrupperanno e viaggeranno l'una con l'altra, mentre altre che si muovono anche a una frazione di metro al secondo più lentamente rimarranno indietro, arrivando alla fine molte ore dopo a causa della distanza percorsa. Il tempo di propagazione dalla sorgente t è proporzionale alla distanza X divisa per il periodo d'onda T . In acque profonde è dove g è l'accelerazione di gravità. Per un temporale situato a 10.000 km di distanza, le mareggiate con un periodo T = 15 s arriveranno 10 giorni dopo la tempesta, seguite da 14 s altre 17 ore dopo, e così via.

L'arrivo disperso degli swell, a partire dal periodo più lungo, con una riduzione del periodo dell'onda di picco nel tempo, può essere utilizzato per calcolare la distanza alla quale si sono generati gli swell.

Considerando che lo stato del mare nella tempesta ha uno spettro di frequenze con più o meno la stessa forma (cioè un picco ben definito con frequenze dominanti entro più o meno 7% del picco), gli spettri del moto ondoso sono sempre più stretti, a volte come 2 % o meno, poiché le onde si disperdono sempre più lontano. Il risultato è che i gruppi di onde (chiamati set dai surfisti) possono avere un gran numero di onde. Da circa sette onde per gruppo nella tempesta, questo sale a 20 e più in mareggiate da tempeste molto lontane.

Impatti costieri

Proprio come per tutte le onde d'acqua, il flusso di energia è proporzionale all'altezza significativa dell'onda al quadrato per la velocità di gruppo . In acque profonde, questa velocità di gruppo è proporzionale al periodo dell'onda. Quindi le onde con periodi più lunghi possono trasferire più energia rispetto alle onde di vento più corte. Inoltre, l'ampiezza delle onde infragravity aumenta drammaticamente con il periodo dell'onda (circa il quadrato del periodo), che si traduce in maggiore run-up .

Poiché le onde di rigonfiamento hanno tipicamente lunghezze d'onda lunghe (e quindi una base d'onda più profonda), iniziano il processo di rifrazione (vedi onde d'acqua ) a distanze maggiori al largo (in acque più profonde) rispetto alle onde generate localmente.

Poiché le onde generate dal moto ondoso sono mescolate con le normali onde del mare, possono essere difficili da rilevare ad occhio nudo (in particolare lontano dalla riva) se non sono significativamente più grandi delle onde normali. Da un punto di vista dell'analisi del segnale , gli swell possono essere pensati come un segnale d'onda abbastanza regolare (sebbene non continuo) esistente in mezzo a un forte rumore (cioè onde normali e chop ).

Navigazione

Le mareggiate erano usate dai navigatori della Micronesia per mantenere la rotta quando non erano disponibili altri indizi, come nelle notti di nebbia.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno