Un oleaje , también denominado a veces oleaje de tierra , 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 conoce como ondas de gravedad superficiales . Estas ondas de gravedad superficiales tienen su origen en las ondas de viento , pero son consecuencia de la dispersión de las ondas de viento de sistemas meteorológicos distantes , donde el viento sopla durante un período de tiempo sobre una zona de agua, y estas ondas se mueven desde el área de origen a velocidades que son una función del período y la longitud de la ola. 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 a menudo tienen 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 meteorológico responsable del oleaje y el tamaño del cuerpo de agua, y varía de un evento a otro, y del mismo evento, a lo largo del tiempo. Ocasionalmente, se producen olas de más de 700 m de longitud como resultado de las tormentas más severas.
La dirección del oleaje es la dirección desde la que se mueve el oleaje. Se da como una dirección geográfica, ya sea en grados o en puntos cardinales , como oleaje NNO o SO, 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 olas de viento generadas localmente, porque se han dispersado desde su área de generación y con el tiempo tienden a ordenarse por velocidad de propagación, siendo las olas más rápidas las que pasan primero por un punto distante. Las olas adquieren una forma y una dirección más definidas y son menos aleatorias que las olas de viento generadas localmente.
Las olas de gran tamaño que se observan en la costa pueden ser consecuencia de sistemas meteorológicos distantes sobre el océano. Hay cinco factores que actúan en conjunto para determinar el tamaño de las olas de viento [1] que se convertirán en oleaje oceánico:
Una onda se describe utilizando las siguientes dimensiones:
La longitud de la ola es una función del período y de la profundidad del agua para profundidades menores a aproximadamente la mitad de la longitud de la ola, donde el movimiento de la ola se ve afectado por la fricción con el fondo.
Un mar completamente desarrollado tiene el tamaño máximo de ola 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 energía consumida para lograr un estado estable, debido a la disipación de energía por la viscosidad y la rotura de las cimas de las olas en forma de "crestas blancas".
Las olas en una zona determinada suelen tener un rango de alturas. Para los informes meteorológicos y para el análisis científico de las estadísticas de olas de viento, su altura característica durante un intervalo de tiempo se expresa generalmente como altura significativa de ola . Esta cifra representa una altura promedio del tercio más alto de las olas en un período de tiempo determinado (generalmente elegido en algún lugar en el rango de 20 minutos a doce horas), o en un sistema específico de olas o tormentas. La altura significativa de ola es también el valor que un "observador entrenado" (por ejemplo, la tripulación de un barco) estimaría a partir de la observación visual de un estado del mar. Dada la variabilidad de la altura de las olas, es probable que las olas individuales más grandes sean algo menores que el doble de la altura significativa de las olas. [2]
Las olas de viento son generadas por el viento. Otros tipos de perturbaciones, como los fenómenos sísmicos , también pueden causar ondas de gravedad, pero no son ondas de viento y, por lo general, no dan lugar a oleaje. La generación de olas de viento se inicia por las perturbaciones del campo de viento cruzado en la superficie del agua.
Para condiciones iniciales de una superficie de agua plana ( Escala Beaufort 0) y flujos abruptos de viento cruzado sobre la superficie del agua, la generación de olas de viento superficial se puede explicar por dos mecanismos, que se inician por fluctuaciones de presión normales de vientos turbulentos y flujos de cizalladura del viento paralelos.
De las “fluctuaciones del viento” : La formación de olas de viento se inicia por una distribución aleatoria de la presión normal que actúa sobre el agua a causa del viento. Por este mecanismo, propuesto por OM Phillips en 1957, la superficie del agua está inicialmente en reposo, y la generación de la ola se inicia por flujos de viento turbulentos 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:
De "fuerzas de cizalladura del viento" : En 1957, John W. Miles sugirió un mecanismo de generación de olas superficiales que se inicia por flujos turbulentos de cizalladura del viento, , basado en la ecuación no viscosa de Orr-Sommerfeld . Encontró que la transferencia de energía del viento a la superficie del agua como velocidad de ola, , es proporcional a la curvatura del perfil de velocidad del viento, , en el punto donde la velocidad media del viento es igual a la velocidad de la ola ( , donde es la velocidad media del viento turbulento). Dado que el perfil del viento, , es logarítmico a la superficie del agua, la curvatura, , tiene un signo negativo en el punto . Esta relación muestra que el flujo de viento transfiere su energía cinética a la superficie del agua en su interfaz, y de ahí surge la velocidad de la ola, . La tasa de crecimiento puede determinarse por la curvatura de los vientos ( ) a la altura de dirección ( ) para una velocidad del viento dada, .
Los supuestos de este mecanismo son:
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. [5] Si uno supone una superficie marina muy plana (número de Beaufort, 0), y un flujo de viento repentino sopla de manera constante a través de ella, el proceso físico de generación de olas sería así:
Las olas de oleaje largas se forman a partir de las olas de viento más cortas y toman energía de ellas. El proceso fue descrito por primera vez por Klaus Hasselmann (premio Nobel 2021) después de investigar los efectos no lineales que son más pronunciados cerca de los picos de las olas más altas. Demostró que, a través de estas no linealidades, dos trenes de olas en aguas profundas pueden interactuar para generar dos nuevos conjuntos de olas, uno generalmente de longitud de onda más larga y el otro de longitud de onda más corta.
La ecuación que desarrolló Hasselmann [8] para describir este proceso se utiliza ahora en los modelos del estado del mar (por ejemplo, Wavewatch III [9] ) que utilizan todos los principales centros de predicción meteorológica y climática. Esto se debe a que tanto el viento como el oleaje tienen efectos significativos en la transferencia de calor del océano a la atmósfera. Esto afecta tanto a los sistemas climáticos de gran escala, como El Niño , como a los sistemas de menor escala, como las depresiones atmosféricas que se desarrollan cerca de los bordes de la Corriente del Golfo .
Es difícil dar 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 olas cortas, que a menudo rompen cerca de la misma posición, se pueden utilizar como analogía. Esto se debe a que cada pequeña ola que rompe da un pequeño empujón a la ola más larga en la que está rompiendo. Desde el punto de vista de la ola larga, recibe un pequeño empujón en cada una de sus crestas, como un columpio que recibe un pequeño empujón en el momento justo. Tampoco hay un efecto comparable en el valle de la ola, un término que tendería a reducir el tamaño de la ola larga.
Desde el punto de vista de un físico, este efecto es de especial interés porque muestra cómo lo que comienza como un campo de ondas aleatorio puede generar el orden de un largo tren de olas de oleaje a costa de las pérdidas de energía y el aumento del desorden que afectan a todas las pequeñas olas que rompen. La clasificación de los tamaños de los granos de arena, que se observa a menudo en una playa, [10] [11] es un proceso similar (como lo es gran parte de la vida ).
La disipación de la energía del oleaje es mucho más fuerte en el caso de las olas cortas, [ cita requerida ] [ aclaración necesaria ], por lo que las olas de tormentas distantes son solo olas largas. La disipación de olas con períodos mayores a 13 segundos es muy débil, pero aún significativa a la escala del Océano Pacífico. [12] Estas olas largas pierden la mitad de su energía en una distancia que varía desde más de 20.000 km (la mitad de la distancia alrededor del globo) hasta poco más de 2.000 km. 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.
Las marejadas suelen ser creadas por tormentas a miles de millas náuticas de las costas donde rompen, y la propagación de las marejadas más largas está limitada principalmente por las líneas de costa. Por ejemplo, las marejadas generadas en el océano Índico se han registrado en California después de más de la mitad de un viaje alrededor del mundo. [13] Esta distancia permite que las olas que componen las marejadas estén mejor ordenadas y libres de oleaje a medida que viajan hacia la costa. Las olas generadas por vientos de tormenta tienen la misma velocidad y se agruparán y viajarán entre sí, [ cita requerida ] mientras que otras que se mueven incluso a una fracción de metro por segundo más lento se quedarán rezagadas, llegando finalmente muchas horas más tarde debido a la distancia recorrida. El tiempo de propagación desde la fuente t es proporcional a la distancia X dividida por el período de la ola T . En aguas profundas es donde g es la aceleración de la gravedad. En una tormenta situada a 10.000 km de distancia, las olas con un período T = 15 s llegarán 10 días después de la tormenta, seguidas por olas de 14 s otras 17 horas después, y así sucesivamente.
La llegada dispersa de oleajes, comenzando con el período más largo, con una reducción en el período máximo de las olas a lo largo del tiempo, se puede utilizar para calcular la distancia a la que se generaron los oleajes.
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 de oleaje son cada vez más estrechos, a veces hasta el 2% o menos, a medida que las olas 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 aproximadamente siete olas por grupo en la tormenta, esto aumenta a 20 y más en oleajes de tormentas muy distantes. [ cita requerida ]
Al igual que en el caso de todas las olas en el agua, el flujo de energía es proporcional al cuadrado de la altura significativa de la ola multiplicada por la velocidad de grupo . En aguas profundas, esta velocidad de grupo es proporcional al período de la ola. Por lo tanto, las olas con períodos más largos pueden transferir más energía que las olas de viento más cortas. Además, la amplitud de las olas de infragravedad aumenta drásticamente con el período de la ola (aproximadamente el cuadrado del período), lo que da como resultado un mayor impulso inicial .
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 ondas de agua ) a mayores distancias de la costa (en aguas más profundas) que las olas generadas localmente. [14]
Dado que las olas generadas por el oleaje se mezclan con las olas normales del mar, pueden ser difíciles de detectar a simple vista (en particular, lejos de la costa) si no son significativamente más grandes que las olas normales. Desde el punto de vista del análisis de señales , se puede pensar en el oleaje como una señal de ola bastante regular (aunque no continua) que existe en medio de un fuerte ruido (es decir, olas normales y olas oleadas ).
Los navegantes micronesios utilizaban las olas para mantener el rumbo cuando no había otras pistas disponibles, como en las noches de niebla. [15]
