E4 Ondas Oceânicas - Superfície

Tópico

As ondas da superfície do oceano são perturbações na interface entre a água e o ar, onde a gravidade atua como força restauradora. Em águas profundas, onde a profundidade excede aproximadamente um quarto do comprimento de onda, a velocidade com que cada onda se propaga depende exclusivamente do seu próprio comprimento de onda e não da profundidade da água: ondas longas viajam mais rápido do que ondas curtas, um comportamento conhecido como dispersão. Em águas rasas, onde a profundidade é muito menor do que o comprimento de onda, ocorre o oposto: todas as ondas, longas e curtas, viajam exatamente na mesma velocidade, uma velocidade que depende exclusivamente da profundidade da água e aumenta com a raiz quadrada dessa profundidade. Essa igualdade de velocidades é o que faz com que as ondas em águas rasas parem de se dispersar umas das outras.

O vento gera ondas oceânicas e, à medida que as gera, essas ondas evoluem para um espectro de frequências e direções que podem assumir duas formas típicas, dependendo do quão avançado está o processo de geração de ondas. O espectro de um mar com vento ainda gerando ondas ativamente tem um pico de energia concentrado em uma frequência de pico bem definida, com um fator de amplificação de pico próximo a 3,3 vezes o de um mar totalmente desenvolvido. Isso significa que a energia nesse espectro está muito mais concentrada em torno dessa frequência de pico do que em um mar totalmente desenvolvido. O espectro de Pierson-Moskowitz, por outro lado, descreve precisamente um mar totalmente desenvolvido, no qual o vento não adiciona mais energia às ondas e seu fator de amplificação de pico é exatamente um. A altura significativa da onda quantifica a amplitude média do terço superior de todas as ondas que compõem o espectro e está diretamente relacionada à variância desse espectro: quanto mais energia o espectro de ondas contém, maior sua variância e, consequentemente, maior a altura significativa da onda que o espectro produz. Portanto, conhecer a variância do espectro é suficiente para prever a altura média das maiores ondas no mar.

Quando a amplitude de uma determinada onda excede aproximadamente um sétimo de seu próprio comprimento de onda, um limite conhecido como critério de Stokes, essa onda quebra, formando espuma branca na superfície. Essa quebra de onda é a principal fonte de dissipação de energia em todo o espectro de ondas, e é essa mesma quebra que faz com que a ondulação transfira momento e gases dissolvidos para o oceano abaixo.

Além de dissipar energia ao quebrar, as ondas também produzem correntes de Stokes: um fluxo líquido de massa de água na mesma direção em que a onda se propaga, o que ocorre porque a água é transportada de forma diferente na crista e no vale de cada onda. Essas correntes de Stokes são o que carregam na superfície tanto bóias à deriva quanto poluentes flutuando na água, enquanto, dentro do próprio espectro de ondas, as interações não lineares entre as ondas redistribuem constantemente a energia de uma frequência para outra, fazendo com que o espectro de ondas nunca pare de se reorganizar internamente, mesmo muito tempo depois que o vento parou de soprar.

O comportamento esperado é que, longe da região onde o vento as gerou, as ondas se propaguem como uma ondulação cada vez mais ordenada, e é precisamente a dispersão descrita no início que faz com que essa ondulação eventualmente se separe por frequência à medida que viaja milhares de quilômetros: as ondas mais longas e rápidas chegam primeiro a uma costa distante, e as mais curtas chegam muito mais tarde. Assim, desde a dispersão que distingue as águas profundas das águas rasas até a separação de frequências que uma ondulação sofre após percorrer milhares de quilômetros, as ondas da superfície do oceano carregam consigo, na própria estrutura do seu espectro, toda a história do vento que as gerou e do oceano que atravessaram.

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