Oleaje (ola)

Una marejada , también conocida como 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 en olas de viento , pero son consecuencia de la dispersión de olas de viento de sistemas meteorológicos distantes , donde el viento sopla durante un tiempo sobre una extensión de agua, y estas ondas se mueven desde el área de origen a velocidades que son función del período y la longitud de la onda. En términos más generales, una marejada consiste en olas generadas por el viento que no se ven muy afectadas por el viento local en ese momento. Las olas de marejada suelen tener una longitud de onda relativamente larga , ya que las olas 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 de la marejada y el tamaño de la masa de agua, y varía de un evento a otro, e incluso del mismo evento, a lo largo del tiempo. En ocasiones,  como consecuencia de las tormentas más severas, se producen olas de más de 700 metros de longitud .

La dirección del oleaje es la dirección desde la que se mueve. Se indica como una dirección geográfica, ya sea en grados o en puntos cardinales , como oleaje NNW o SW, y, al igual que con el viento, la dirección indicada suele ser la dirección de donde proviene el oleaje. Los oleajes tienen un rango de frecuencias y direcciones más estrecho que las olas generadas por el viento localmente, porque se han dispersado desde su área de generación y, con el tiempo, tienden a ordenarse según su velocidad de propagación, pasando primero las olas más rápidas por un punto distante. Los oleajes adquieren una forma y dirección más definidas y son menos aleatorios que las olas generadas por el viento localmente.

Las grandes olas que se observan en la costa pueden ser consecuencia de sistemas meteorológicos distantes sobre el océano. Cinco factores trabajan juntos para determinar el tamaño de las olas de viento ^{[ 1 ]} que se convertirán en marejada oceánica:

• Velocidad del viento : el viento debe moverse más rápido que la cresta de la ola (en la dirección en la que se desplaza la cresta) para que se produzca una transferencia neta de energía del aire al agua; los vientos más fuertes y prolongados crean olas más grandes.
• La distancia ininterrumpida de agua abierta sobre la que sopla el viento sin cambios significativos de dirección (llamada fetch ).
• Ancho de la superficie del agua en el área de captación.
• Duración del viento: el tiempo durante el cual el viento ha soplado sobre el área de influencia.
• Profundidad del agua

Una onda se describe utilizando las siguientes dimensiones:

• Altura de la ola (desde el valle hasta la cresta )
• Longitud de onda (de cresta a cresta)
• Periodo de la ola (intervalo de tiempo entre la llegada de crestas consecutivas a un punto fijo)
• Dirección de propagación de la onda

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

Un mar completamente desarrollado presenta el tamaño máximo de ola teóricamente posible para un viento de una fuerza y ​​alcance específicos. Una mayor exposición a ese viento específico resultaría en una pérdida de energía equivalente a la energía de entrada, lo que daría lugar a un estado estacionario, debido a la disipación de energía por viscosidad y la ruptura de las crestas de las olas en forma de crestas blancas.

Las olas en un área determinada suelen tener un rango de alturas. Para los informes meteorológicos y el análisis científico de las estadísticas de oleaje, su altura característica en un intervalo de tiempo se suele expresar como altura significativa de ola . Esta cifra representa la altura promedio del tercio más alto de las olas en un período de tiempo determinado (generalmente entre 20 minutos y doce horas), o en un sistema de olas o tormenta específico. La altura significativa de ola es también el valor que un observador experto (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 sean algo menores que el doble de la altura significativa de ola. ^{[ 2 ]}

Fuentes de generación de olas por el viento

Las olas de viento se generan por la acción del viento. Otros tipos de perturbaciones, como los sismos , también pueden causar olas de gravedad, pero no son olas de viento y, por lo general, no producen oleaje. La generación de olas de viento se inicia por las perturbaciones del campo de viento transversal en la superficie del agua.

Para condiciones iniciales de una superficie de agua plana ( escala de Beaufort 0) y flujos de viento cruzado abruptos en la superficie del agua, la generación de olas de viento superficiales se puede explicar mediante dos mecanismos, que se inician por fluctuaciones de presión normales de vientos turbulentos y flujos de cizallamiento de viento paralelos.

Generación de olas superficiales por el viento

Según el mecanismo de "fluctuaciones del viento" : la formación de olas se inicia por una distribución aleatoria de la presión normal que ejerce el viento sobre el agua. Este mecanismo, propuesto por O.M. Phillips en 1957, parte inicialmente de la superficie del agua en reposo, y la generación de la ola se produce por la turbulencia del viento y, posteriormente, por las fluctuaciones de la presión normal que actúa sobre la superficie. Debido a estas fluctuaciones de presión, surgen tensiones normales y tangenciales que generan el comportamiento ondulatorio en la superficie del agua.

Los supuestos de este mecanismo son los siguientes:

• El agua está inicialmente en reposo;
• El agua es no viscosa ;
• El agua es irrotacional ;
• La presión normal sobre la superficie del agua debida al viento turbulento se distribuye aleatoriamente; y
• Se descuidan las correlaciones entre los movimientos del aire y del agua. ^{[ 3 ]}

De "fuerzas de cizallamiento del viento" : En 1957, John W. Miles sugirió un mecanismo de generación de olas superficiales que se inicia por flujos turbulentos de cizallamiento del viento,${\displaystyle Ua(y)}$, basado en la ecuación de Orr-Sommerfeld no viscosa . 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 media del viento es igual a la velocidad de las olas (${\displaystyle Ua=c}$, dónde${\displaystyle Ua}$es la velocidad media del viento turbulento). Dado que el perfil del viento,${\displaystyle Ua(y)}$, es logarítmico a la superficie del agua, la curvatura,${\displaystyle Ua''(y)}$, tiene un signo negativo en el punto${\displaystyle Ua=c}$Esta relación muestra cómo 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.${\displaystyle c}$. La tasa de crecimiento puede determinarse por la curvatura de los vientos (${\displaystyle (d^{2}Ua)/(dz^{2})}$) a la altura de la dirección (${\displaystyle Ua(z=z_{h})=c}$) para una velocidad del viento determinada,${\displaystyle Ua}$.

Los supuestos de este mecanismo son:

• flujo de cizallamiento paralelo bidimensional,${\displaystyle Ua(y)}$.
• Agua/viento incompresible e inviscoso.
• Agua irrotacional.
• Pequeña pendiente del desplazamiento de la superficie. ^{[ 4 ]}

Generalmente, estos mecanismos de formación de olas ocurren simultáneamente en la superficie del océano, dando lugar a olas de viento que eventualmente se convierten en olas completamente desarrolladas. ^{[ 5 ]} Si se supone una superficie marina muy plana (número de Beaufort, 0) y un flujo de viento repentino y constante sopla sobre ella, el proceso físico de generación de olas sería el siguiente:

1. Los flujos de viento turbulentos forman fluctuaciones de presión aleatorias en la superficie del mar. Estas fluctuaciones generan pequeñas olas con longitudes de onda del orden de unos pocos centímetros (mecanismo de Phillips). ^{[ 3 ]}
2. El viento cruzado continúa actuando sobre la superficie del mar inicialmente fluctuante. Entonces las olas se hacen más grandes y, al hacerlo, las diferencias de presión aumentan, y la inestabilidad de cizallamiento resultante acelera el crecimiento de las olas exponencialmente (mecanismo de Miles). ^{[ 3 ]}
3. La interacción entre las olas en la superficie genera olas más largas (Hasselmann et al., 1973) ^{[ 6 ]} y esta interacción transfiere energía de las olas más cortas generadas por el mecanismo de Miles a aquellas que tienen frecuencias ligeramente inferiores a las de las magnitudes máximas de las olas. En última instancia, la velocidad de la ola se vuelve mayor que la del viento transversal (Pierson y Moskowitz). ^{[ 7 ]}

• (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. Por lo tanto, excepto para la longitud de onda más corta, las ondas siguen la teoría de aguas profundas descrita en la siguiente sección. La  onda de 8,5 m de longitud debe encontrarse en aguas poco profundas o entre aguas profundas y poco profundas).

Las olas largas generadas por el oleaje se originan a partir de las olas más cortas producidas por el viento y les roban energía. Este proceso fue descrito por primera vez por Klaus Hasselmann (Premio Nobel 2021) tras investigar los efectos no lineales más pronunciados cerca de las crestas 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 mayor longitud de onda y el otro de menor longitud de onda.

La ecuación que Hasselmann ^{[ 8 ]} desarrolló para describir este proceso se utiliza actualmente en los modelos de estado del mar (por ejemplo, Wavewatch III ^{[ 9 ]} ) empleados por todos los principales centros de predicción meteorológica y climática. Esto se debe a que tanto el oleaje generado por 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 a gran escala, como El Niño , como a sistemas a menor escala, como las depresiones atmosféricas que se desarrollan cerca de los bordes de la Corriente del Golfo .

Es difícil explicar con precisión el proceso de Hasselmann desde un punto de vista físico, pero los efectos no lineales son mayores cerca de las crestas de las olas más altas, y las olas cortas, que suelen romper cerca de la misma posición, pueden servir como analogía. Esto se debe a que cada pequeña ola que rompe ejerce un pequeño impulso sobre la ola más larga sobre la que rompe. Desde la perspectiva de la ola larga, esta recibe un pequeño impulso en cada una de sus crestas, al igual que un columpio recibe un pequeño empujón en el momento preciso. Tampoco existe 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 una larga serie de olas de oleaje a costa de las pérdidas de energía y el aumento del desorden que afecta a todas las pequeñas olas rompientes. La clasificación del tamaño de los granos de arena, que se observa a menudo en una playa, ^{[ 10 ] [ 11 ]} es un proceso similar (al igual que gran parte de la vida ).

La disipación de la energía del oleaje es mucho mayor para las olas cortas, razón por la cual los oleajes de tormentas distantes son solo olas largas. La disipación de olas con periodos mayores a 13 segundos es muy débil, pero aún significativa a la escala del Océano Pacífico. ^{[ 12 ]} Estos oleajes largos pierden la mitad de su energía en una distancia que varía desde más de 20 000 km (la mitad de la circunferencia de la Tierra) hasta poco más de 2000 km. Se encontró que esta variación era una función sistemática de la pendiente 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 costeras. Por ejemplo, se han registrado marejadas generadas en el Océano Índico 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 se clasifiquen mejor y estén 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 juntas, mientras que otras que se mueven incluso a una fracción de metro por segundo más lento se retrasarán, llegando finalmente muchas horas después 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${\displaystyle t=4\pi X/(gT)}$donde g es la aceleración de la gravedad. Para una tormenta ubicada a 10 000  km de distancia, las marejadas con un período T = 15 s llegarán 10 días después de la tormenta, seguidas de marejadas de 14 s otras 17 horas después, y así sucesivamente.

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

Mientras que el estado del mar durante la tormenta presenta un espectro de frecuencias con una forma más o menos uniforme (es decir, un pico bien definido con frecuencias dominantes dentro de un margen de más o menos el 7% del pico), los espectros de oleaje se vuelven cada vez más estrechos, a veces de tan solo el 2% o menos, a medida que las olas se dispersan. Como resultado, los grupos de olas (llamados series por los surfistas) pueden contener un gran número de ellas. De unas siete olas por grupo durante la tormenta, esta cifra aumenta a 20 o más en oleajes provenientes de tormentas muy distantes.

Al igual que en todas las olas de agua, el flujo de energía es proporcional al cuadrado de la altura significativa de la ola multiplicado 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 infragraves aumenta drásticamente con el período de la ola (aproximadamente con el cuadrado del período), lo que resulta en una mayor altura de ascenso .

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 mar adentro (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 (especialmente lejos de la costa) si no son significativamente más grandes que las olas normales. Desde el punto de vista del análisis de señales , el oleaje puede considerarse como una señal de onda bastante regular (aunque no continua) que existe en medio de un fuerte ruido (es decir, olas normales y marejada ).

Los navegantes micronesios utilizaban las olas para mantener el rumbo cuando no disponían de otras pistas, como en las noches de niebla. ^{[ 15 ]}

• Surf

• "Pronósticos globales de oleaje/surf" . Surfline .
• "Pronósticos de oleaje en Australia" . Coastalwatch .
• "Previsión de oleaje en el Reino Unido" . Magicseaweed .
• "Pronósticos de oleaje en Australia" . Brisa marina .
• "Pronósticos de oleaje en Australia" . Swellnet .
• "Conceptos básicos sobre olas (Cómo se forman y se miden las marejadas)" . Stormsurf .
• "Dispositivos australianos para la medición del oleaje" . Boyas Waverider . Archivado del original el 10 de diciembre de 2006.