Swell (oceano) - Swell (ocean)

Quebrando as ondas do swell em Hermosa Beach , Califórnia

Um swell , às vezes também conhecido como swell de solo , no contexto de um oceano , mar ou lago , é uma série de ondas mecânicas que se propagam ao longo da interface entre a água e o ar sob a influência predominante da gravidade e, portanto, são frequentemente referidos como ondas de gravidade superficial . Essas ondas de gravidade superficial têm sua origem como ondas de vento , mas são consequência da dispersão de ondas de vento de sistemas meteorológicos distantes , onde o vento sopra por um período de tempo sobre um fluxo de água e essas ondas se movem para fora da área de origem em velocidades que são uma função do período e comprimento da onda. De forma mais geral, um swell consiste em ondas geradas pelo vento que não são muito afetadas pelo vento local naquele momento. Ondas swell geralmente têm um comprimento de onda relativamente longo , já que ondas curtas carregam menos energia e se dissipam mais rápido, mas isso varia devido ao tamanho, força e duração do sistema climático responsável pelo swell e o tamanho do corpo de água, e varia de evento para evento, e do mesmo evento, ao longo do tempo. Ocasionalmente, ondas maiores que 700m ocorrem como resultado das tempestades mais severas.

A direção do swell é a direção a partir da qual o swell está se movendo. É dada como uma direção geográfica, em graus ou em pontos da bússola , como swell de NNW ou SW, e como os ventos, a direção fornecida é geralmente a direção de onde vem o swell. As ondas têm uma faixa mais estreita de frequências e direções do que as ondas de vento geradas localmente, porque se dispersaram de sua área de geração e, com o tempo, tendem a se classificar pela velocidade de propagação com as ondas mais rápidas passando por um ponto distante primeiro. As ondas assumem uma forma e direção mais definidas e são menos aleatórias do que as ondas de vento geradas localmente.

Formação

Ondulação perto de Lyttelton Harbour , Nova Zelândia

Grandes ondas observadas em uma costa podem resultar de sistemas meteorológicos distantes sobre o oceano. Cinco fatores trabalham juntos para determinar o tamanho das ondas de vento e vento que se tornarão ondas do oceano:

• Velocidade do vento - o vento deve estar se movendo mais rápido do que a crista da onda (na direção em que a crista da onda viaja) para transferência de energia líquida do ar para a água; ventos prolongados mais fortes criam ondas maiores
• A distância ininterrupta de mar aberto sobre a qual o vento sopra sem mudança significativa de direção (chamada de busca )
• Largura da superfície da água na busca
• Duração do vento - o tempo durante o qual o vento soprou sobre a busca
• Profundidade da água

Uma onda é descrita usando as seguintes dimensões:

• Altura da onda (do vale à crista )
• Comprimento da onda (de crista a crista)
• Período de onda (intervalo de tempo entre a chegada de cristas consecutivas em um ponto estacionário)
• Direção de propagação da onda

O comprimento da onda é uma função do período e da profundidade da água para profundidades menores que aproximadamente metade do comprimento da onda, onde o movimento da onda é afetado pelo atrito com o fundo.

Efeitos da onda de águas profundas no movimento de partículas de água ( deriva de Stokes ).

Um mar totalmente desenvolvido tem o tamanho de onda máximo teoricamente possível para um vento de força e alcance específicos. Uma exposição adicional a esse vento específico resultaria em uma perda de energia igual à entrada de energia, dando um estado estacionário, devido à dissipação de energia da viscosidade e quebra de topos de onda como "espuma branca".

As ondas em uma determinada área geralmente têm uma variedade de alturas. Para relatórios meteorológicos e para análises científicas das estatísticas de ondas de vento, sua altura característica ao longo de um intervalo de tempo é geralmente expressa como altura de onda significativa . Este número representa uma altura média do terço mais alto das ondas em um determinado período de tempo (geralmente escolhido em algum lugar na faixa de 20 minutos a 12 horas), ou em uma onda específica ou sistema de tempestade. A altura significativa da onda é também o valor que um "observador treinado" (por exemplo, da tripulação de um navio) estimaria a partir da observação visual do estado do mar. Dada a variabilidade da altura das ondas, é provável que as maiores ondas individuais tenham um pouco menos do que o dobro da altura significativa das ondas.

As fases de uma onda da superfície do oceano: 1. Crista da onda, onde as massas de água da camada superficial se movem horizontalmente na mesma direção da frente de onda em propagação. 2. Onda decrescente. 3. Calha, onde as massas de água da camada superficial estão se movendo horizontalmente na direção oposta à direção da frente de onda. 4. Onda crescente.

Fontes de geração de ondas eólicas

Cruze o mar de ondas de swell em águas rasas perto do Farol das Baleias (Phare des Baleines), Île de Ré

Ondas de vento são geradas pelo vento. Outros tipos de distúrbios, como eventos sísmicos , também podem causar ondas de gravidade, mas não são ondas de vento e geralmente não resultam em ondulação. A geração de ondas de vento é iniciada pelas perturbações do campo de vento cruzado na superfície da água.

Para condições iniciais de uma superfície de água plana ( Escala de Beaufort 0) e fluxos de vento cruzado abruptos na superfície da água, a geração de ondas de vento de superfície pode ser explicada por dois mecanismos, que são iniciados por flutuações de pressão normais de ventos turbulentos e vento paralelo fluxos de cisalhamento.

Geração de ondas de superfície pelos ventos

O mecanismo de formação de onda

A partir de "flutuações do vento" : a formação de ondas de vento é iniciada por uma distribuição aleatória de pressão normal agindo sobre a água do vento. Por esse mecanismo, proposto por OM Phillips em 1957, a superfície da água fica inicialmente em repouso, e a geração da onda é iniciada por fluxos turbulentos do vento e depois pelas flutuações do vento, pressão normal atuando na superfície da água. Devido a esta flutuação de pressão surgem tensões normais e tangenciais que geram o comportamento das ondas na superfície da água.

As premissas deste mecanismo são as seguintes:

• A água está originalmente em repouso;
• A água é invíscida ;
• A água é irrotacional ;
• A pressão normal do vento turbulento na superfície da água é distribuída aleatoriamente; e
• As correlações entre os movimentos do ar e da água são negligenciadas.

De "forças de cisalhamento do vento" : Em 1957, John W. Miles sugeriu um mecanismo de geração de onda de superfície que é iniciado por fluxos turbulentos de cisalhamento do vento , baseado na invíscida equação de Orr-Sommerfeld . Ele descobriu que a transferência de energia do vento para a superfície da água como uma velocidade da onda,, é proporcional à curvatura do perfil de velocidade do vento,, no ponto onde a velocidade média do vento é igual à velocidade da onda ( , onde é a média velocidade turbulenta do vento). Como o perfil do vento ,, é logarítmico com a superfície da água, a curvatura,, tem um sinal negativo no ponto . Esta relação mostra o fluxo do vento transferindo sua energia cinética para a superfície da água em sua interface, e daí surge a velocidade da onda ,. A taxa de crescimento pode ser determinada pela curvatura dos ventos ( ) na altura da direção ( ) para uma dada velocidade do vento ,. ${\ displaystyle Ua (y)}$${\ displaystyle c}$${\ displaystyle Ua '' (y)}$${\ displaystyle Ua = c}$${\ displaystyle Ua}$${\ displaystyle Ua (y)}$${\ displaystyle Ua '' (y)}$${\ displaystyle Ua = c}$${\ displaystyle c}$${\ displaystyle (d ^ {2} Ua) / (dz ^ {2})}$${\ displaystyle Ua (z = z_ {h}) = c}$${\ displaystyle Ua}$

As premissas desse mecanismo são:

• Escoamento de cisalhamento paralelo bidimensional .${\ displaystyle Ua (y)}$
• Água / vento incompressíveis e invíscidos.
• Água irrotacional.
• Pequena inclinação do deslocamento da superfície.

Geralmente, esses mecanismos de formação de ondas ocorrem juntos na superfície do oceano, dando origem a ondas de vento que eventualmente se transformam em ondas totalmente desenvolvidas. Se alguém supor uma superfície do mar muito plana (número de Beaufort, 0), e o fluxo de vento repentino sopra continuamente através dela, o processo de geração de onda física seria assim:

1. Fluxos de vento turbulentos formam flutuações aleatórias de pressão na superfície do mar. Ondas pequenas com comprimentos de onda de alguns centímetros são geradas pelas flutuações de pressão (mecanismo de Phillips).
2. O vento cruzado continua agindo na superfície do mar inicialmente flutuada. Em seguida, as ondas tornam-se maiores e, à medida que o fazem, as diferenças de pressão aumentam e a instabilidade de cisalhamento resultante acelera o crescimento das ondas exponencialmente (mecanismo de Miles).
3. A interação entre as ondas na superfície gera ondas mais longas (Hasselmann et al., 1973) e essa interação transfere energia das ondas mais curtas geradas pelo mecanismo de Miles para aquelas que têm frequências ligeiramente mais baixas do que nas magnitudes de pico das ondas. Em última análise, a velocidade da onda se torna maior do que a do vento cruzado (Pierson & Moskowitz).

• (Nota: a maioria das velocidades de onda calculadas a partir do comprimento de onda dividido pelo período são proporcionais à raiz quadrada do comprimento. Assim, exceto para o comprimento de onda mais curto, as ondas seguem a teoria de águas profundas descrita na próxima seção. onda longa deve estar em águas rasas ou entre profundas e rasas.)

Desenvolvimento

Ondas swell longas se desenvolvem e tiram energia das ondas de vento mais curtas. O processo foi descrito pela primeira vez por Klaus Hasselmann (vencedor do Prêmio Nobel de 2021) após investigar os efeitos não lineares que são mais pronunciados perto dos picos das ondas mais altas. Ele mostrou que, por meio dessas não linearidades, dois trens de ondas em águas profundas podem interagir para gerar dois novos conjuntos de ondas, um geralmente de comprimento de onda mais longo e outro de comprimento de onda mais curto.

A equação que Hasselmann desenvolveu para descrever este processo agora é usada nos modelos do estado do mar (por exemplo, Wavewatch III) usados ​​por todos os principais centros de previsão do tempo e clima. Isso ocorre porque tanto o vento marinho quanto a ondulação têm efeitos significativos na transferência de calor do oceano para a atmosfera. Isso afeta sistemas climáticos de grande escala, como o El Niño , e sistemas de escala menor, como as depressões atmosféricas que se desenvolvem perto das margens da Corrente do Golfo .

Uma boa descrição física do processo de Hasselmann é difícil de explicar, mas os efeitos não lineares são maiores perto dos picos das ondas mais altas e as ondas curtas, que muitas vezes quebram perto da mesma posição, podem ser usadas como uma analogia. Isso ocorre porque cada pequena onda de quebra dá um pequeno empurrão para a onda mais longa na qual está quebrando. Do ponto de vista da onda longa, ela está recebendo um pequeno empurrão em cada uma de suas cristas, exatamente como um balanço recebendo um pequeno empurrão no momento certo. Também não há efeito comparável no vale da onda - um termo que tenderia a reduzir o tamanho da onda longa.

Do ponto de vista de um físico, esse efeito é de interesse extra porque mostra como, o que começa como um campo de ondas aleatórias, pode gerar a ordem de uma longa sequência de ondas swell ao custo das perdas de energia e aumento da desordem que afeta todos as pequenas ondas quebrando. A classificação dos tamanhos dos grãos de areia, freqüentemente vistos em uma praia, é um processo semelhante (assim como muita vida ).

Dissipação

A dissipação da energia do swell é muito mais forte para ondas curtas, e é por isso que os swells de tempestades distantes são apenas ondas longas. A dissipação de ondas com períodos maiores que 13 segundos é muito fraca, mas ainda significativa na escala do Oceano Pacífico. Essas ondas longas perdem metade de sua energia em uma distância que varia de mais de 20.000 km (metade da distância ao redor do globo) a pouco mais de 2.000 km. Esta variação foi considerada uma função sistemática da inclinação do swell: a razão entre a altura do swell e o comprimento de onda. O motivo desse comportamento ainda não está claro, mas é possível que essa dissipação seja devido ao atrito na interface ar-mar.

Dispersão de swell e grupos de ondas

As ondas são frequentemente criadas por tempestades a milhares de milhas náuticas de distância da costa onde se quebram, e a propagação das ondas mais longas é limitada principalmente pelas linhas costeiras. Por exemplo, ondulações geradas no Oceano Índico foram registradas na Califórnia depois de mais da metade de uma volta ao mundo. Essa distância permite que as ondas que compreendem as ondas sejam melhor classificadas e livres de oscilações à medida que viajam em direção à costa. Ondas geradas por ventos tempestuosos têm a mesma velocidade e irão se agrupar e viajar umas com as outras, enquanto outras que se movem a uma fração de metro por segundo mais lentas ficarão para trás, acabando por chegar muitas horas depois devido à distância percorrida. O tempo de propagao a partir da fonte t é proporcional à distância X dividido pelo período da onda T . Em águas profundas, é onde g é a aceleração da gravidade. Para uma tempestade localizada a 10.000 km de distância, as ondas com um período T = 15 s chegarão 10 dias após a tempestade, seguidas por ondas de 14 s outras 17 horas depois, e assim por diante. ${\ displaystyle t = 4 \ pi X / (gT)}$

A chegada dispersa de swells, começando com o período mais longo, com uma redução no período de pico da onda ao longo do tempo, pode ser usada para calcular a distância em que os swells foram gerados.

Considerando que o estado do mar na tempestade tem um espectro de frequência com mais ou menos a mesma forma (ou seja, um pico bem definido com frequências dominantes dentro de mais ou menos 7% do pico), os espectros de ondulação são cada vez mais estreitos, às vezes como 2 % ou menos, conforme as ondas se dispersam cada vez mais longe. O resultado é que os grupos de ondas (chamados de sets pelos surfistas) podem ter um grande número de ondas. De cerca de sete ondas por grupo na tempestade, isso sobe para 20 ou mais em ondas de tempestades muito distantes.

Impactos costeiros

Assim como para todas as ondas de água, o fluxo de energia é proporcional à altura significativa da onda ao quadrado da velocidade do grupo . Em águas profundas, a velocidade desse grupo é proporcional ao período da onda. Portanto, ondulações com períodos mais longos podem transferir mais energia do que ondas de vento mais curtas. Além disso, a amplitude das ondas infragravity aumenta dramaticamente com o período da onda (aproximadamente o quadrado do período), o que resulta em maior período de preparação .

Como as ondas swell normalmente têm comprimentos de onda longos (e, portanto, uma base de onda mais profunda), elas começam o processo de refração (veja as ondas de água ) a distâncias maiores da costa (em águas mais profundas) do que as ondas geradas localmente.

Uma vez que as ondas geradas pelo swell se misturam com as ondas normais do mar, podem ser difíceis de detectar a olho nu (principalmente longe da costa) se não forem significativamente maiores do que as ondas normais. Do ponto de vista da análise de sinal , as ondulações podem ser consideradas como um sinal de onda razoavelmente regular (embora não contínuo) existente no meio de um ruído forte (ou seja, ondas normais e oscilação ).

Navegação

As ondas foram usadas pelos navegadores da Micronésia para manter o curso quando nenhuma outra pista estava disponível, como em noites de neblina.

Veja também

• Surfando

Referências

links externos

• "Previsões globais de swell / surf" . Surfline .
• "Previsões de swell australianas)" . Coastalwatch .
• "Previsão do swell no Reino Unido" . Magicseaweed .
• "Previsões de swell australianas" . Seabreeze .
• "Previsões de swell australianas" . Swellnet .
• "Wave Basics (como os swells são formados e medidos)" . Stormsurf .
• "Dispositivos de medição de swell australianos" . Waverider Buoys . Arquivado do original em 10/12/2006.