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 denomina oleaje de fondo. como 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.
Los grandes rompientes observados 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 [1] que se convertirán en marejada del océano:
Una onda se describe utilizando las siguientes dimensiones:
La longitud de la onda es 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 ruptura 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 capacitado" (por ejemplo, de la tripulación de un barco) 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. [2]
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 fluctuaciones normales de presión de vientos turbulentos y vientos paralelos. flujos de corte.
De las "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 OM Phillips en 1957, la superficie del agua está inicialmente en reposo, y la generación de la ola es iniciada por corrientes de viento turbulentas y luego por fluctuaciones del viento, actuando la presión normal 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:
A partir de "fuerzas de cizalladura del viento" : En 1957, John W. Miles sugirió un mecanismo de generación de ondas superficiales que se inicia mediante flujos turbulentos de cizalladura del viento, basado en la ecuación invisible de Orr-Sommerfeld . Encontró que la transferencia de energía del viento a la superficie del agua como velocidad de onda, 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 onda ( , donde es la velocidad media velocidad del viento turbulento). Dado que el perfil del viento, es logarítmico con respecto a la superficie del agua, la curvatura, tiene un signo negativo en el punto . Esta relación muestra que el flujo del viento transfiere su energía cinética a la superficie del agua en su interfaz, y de ahí surge la velocidad de las olas . La tasa de crecimiento puede determinarse mediante la curvatura de los vientos ( ) a la altura de dirección ( ) para una velocidad del viento determinada .
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 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:
Las olas de oleaje largas se desarrollan a partir de olas de viento más cortas y toman energía de ellas. El proceso fue descrito por primera vez por Klaus Hasselmann (premio Nobel de 2021) tras 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 ondas en aguas profundas pueden interactuar para generar dos nuevos conjuntos de ondas, uno generalmente de longitud de onda más larga y otro de longitud de onda más corta.
La ecuación que Hasselmann [8] desarrolló para describir este proceso se utiliza ahora en los modelos del estado del mar (por ejemplo Wavewatch III [9] ) utilizados por los principales centros de predicción meteorológica y climática. Esto se debe a que tanto el viento del mar como el oleaje tienen efectos importantes en la transferencia de calor del océano a la atmósfera. Esto afecta tanto a sistemas climáticos a gran escala, como El Niño , como a 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 existe 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 del desorden que afecta a todos. las pequeñas olas rompientes. La clasificación del tamaño de los granos de arena, que se ve a menudo en una playa, [10] [11] es un proceso similar (como lo es mucha vida ).
La disipación de la energía del oleaje es mucho más fuerte en el caso de las olas cortas, [ cita necesaria ] [ aclaración necesaria ] , por lo que el oleaje de tormentas distantes son 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. [12] Estas largas olas pierden la mitad de su energía en una distancia que varía desde más de 20.000 km (la mitad de la distancia alrededor del mundo) 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.
Los oleajes suelen ser creados por tormentas a miles de millas náuticas de las costas donde rompen, y la propagación de los oleajes más largos está limitada principalmente por las costas. Por ejemplo, en California se han registrado marejadas generadas en el Océano Índico después de más de media vuelta al mundo. [13] Esta distancia permite que las olas que componen el oleaje estén mejor ordenadas y libres de picado a medida que viajan hacia la costa. Las olas generadas por los vientos de tormenta tienen la misma velocidad y se agruparán y viajarán entre sí, [ cita necesaria ] mientras que otras que se mueven incluso a una fracción de metro por segundo más lento se quedarán atrás y finalmente llegarán 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 onda T. En aguas profundas es donde g es la aceleración de la gravedad. Para una tormenta ubicada a 10.000 km de distancia, un oleaje con un período T = 15 s llegará 10 días después de la tormenta, seguido de un oleaje de 14 s otras 17 horas después, y así sucesivamente.
La llegada dispersa del oleaje, comenzando por el período más largo, con una reducción del período pico de la ola 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 del oleaje son cada vez más estrechos, a veces hasta 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. [ cita necesaria ]
Al igual que con todas las olas de agua, el flujo de energía es proporcional a la altura significativa de la ola al cuadrado multiplicada por la velocidad del grupo . En aguas profundas, la velocidad de este 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 ondas de infragravedad aumenta dramáticamente con el período de la onda (aproximadamente el cuadrado del período), lo que resulta en un mayor avance .
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 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 ).
Los navegantes de Micronesia utilizaban el oleaje para mantener el rumbo cuando no había otras pistas disponibles, como en las noches de niebla. [15]
