Tema II Oleaje y Marea

Tema II  

Oleaje y Marea

 

OBJETIVO: Interpretar la teoría general de los principales fenómenos oceanográficos y la interacción mar-costa.

 

II.1 Oleaje

 

Ola

 

 Las olas del mar son ondas sísmicas (es decir, movimiento de un medio material) de las llamadas superficiales, que son aquellas que se propagan por la interfaz, entre dos medios materiales. En este caso se trata del límite entre la atmósfera y el océano.

Las olas son ondas que se desplazan por la superficie de mares, océanos, ríos, lagos, canales, etc.

 

El oleaje es un término que se aplica al movimiento continuo de las olas de viento y de marea. El viento es responsable de la generación del oleaje que se desplaza sobre la superficie del agua y que juega un rol muy importante en la modificación de la línea costera.

Tipos de Oleaje

El tipo de oleaje se puede establecer atendiendo a tres características:

a) Según la energía de generación u origen (Carter, 1991)

Olas marinas o de viento: Están sometidas a la influencia directa del viento que las produce, pudiendo llegar a anularse o reforzarse. Su morfología muestra crestas puntiagudas y surcos redondeados que forman rizaduras superpuestas. Según la velocidad del viento y las características de cada masa ácuea, presentan dimensiones que varían desde un oleaje con escasa magnitud (mar rizada o picada, de 0 a 0'25 m de altura) a mar gruesa y muy gruesa (de 2'5 a 6 m de altura).

De fondo o swell: Olas que no están bajo la influencia directa del viento, a causa del cese de este, que pueden desplazarse decenas, o incluso centenas de kilómetros desde su zona de origen y según la dirección del viento sin ser mantenidas por éste. Son ondulaciones sinusoidales con gran simetría y circularidad: crestas y senos redondeados, altura y espaciado uniformes. Suele ser un oleaje en proceso de decaimiento o dispersión.

De temporal: Tiene el mismo origen que las 'olas marinas', pero son transportadas y mantenidas por el viento de una zona tormentosa. La energía y rapidez del avance en los trenes de olas sobre los rompientes, interrumpe transitoriamente el flujo de retorno provocando una 'apilamiento' del agua y una 'invasión' de zonas más alejadas tierra dentro. Puede llegar a ser un oleaje muy destructivo, máxime si a los efectos del temporal se suman otros como mareas de tormenta (tide storms) u ondulaciones debidas a diferencias en las presiones atmosféricas (surge storms). Son olas con longitud de onda y periodo largos, de gran altura: desde arboladas (6 a 9m) a enormes (mayores de 14m).

Tsunamis: Oleaje asociado a la actividad submarina (tectónica, volcánica, deslizamiento), que desplaza masas de agua a gran profundidad y origina olas en superficie con amplitud pequeña (alrededor de 1 m) y gran longitud de onda (50 a 200 Km); pueden transportarse a largas distancias (centenas de Km) y velocidades (hasta 800 km./h). En alta mar apenas es perceptible, sin embargo, al llegar a la costa sufre una notable transformación: cuando disminuye la profundidad, esa energía acumulada debe concentrarse en un volumen de agua mucho menor, lo cual implica mayor altura, pasando de 60-100 cm a 15-30m. Son olas muy destructivas.

b) Según su frecuencia (Munk, 1951)

Olas capilares: Se deben al roce entre láminas de aire y agua en la misma fuente del viento; están controladas por la tensión superficial del líquido. Son pequeñas rizaduras con morfología en V, cuya longitud de onda es inferior a 1'73cm y su altura aproximada unos milímetros.

Olas de gravedad: Olas generadas por la transferencia de energía desde el viento al agua y controladas por la masa movilizada. Su longitud de onda es superior a 1'73 cm. Incluyen a las olas marinas, de swell y traslación o surf.

Olas infra gravitatorias: Formadas mediante interacción entre olas. Tienen amplitud baja y periodos largos.

Olas de periodo largo: Producidas por movimientos periódicos de baja frecuencia (mareas) y eventos sin periodicidad (tsunamis y tormentas).

c) Según sus propiedades hidrodinámicas

Considera la transferencia energética desde la oscilación al desplazamiento o translación, con la consiguiente re movilización de material (Galvin, 1968). A veces lo denominan oleaje de translación, rompiente, surf, etc., y puede ser:

De derrame (spilling): Movimiento progresivo de atenuación en una onda y paso a la traslación; llegan a presentar rupturas encadenadas.

De vuelco (plunging): Adelanto en cada cresta respecto a su base, perdida de sustentación y enroque, ocasionando un vacío o 'voluta', con desintegración posterior y fuertes turbulencias.

Ondulada (surging): Formación de una cresa que no llega al 'vuelco' y se diluye, al tiempo que es adelantada por su base en avance hacia la zona de batida.

De colapso (collapsing): Caso mixto entre vuelco y ondulada.

Efectos

El efecto de las olas sobre las playas es distinto ya que pueden tener efecto constructivo o destructivo:

Efecto constructivo: cuando las olas son pequeñas y de poco periodo (olas de verano, generalmente) las olas tienden a mover poco sedimento, sobre todo muy cerca de la orilla, tendiendo a acumular la arena en la parte alta de la playa, formando la 'playa seca'.

Efecto destructivo: las olas altas, de periodos largos, con gran longitud de onda, pueden mover el sedimento más profundo, y provocan una importante corriente de fondo hacia el mar, que progresivamente va erosionando la playa seca.

Escala de medición

En la práctica se usan 2 escalas para medir la intensidad de las olas:

La Escala Douglas es una escala que clasifica los diferentes estados del mar en 10 grados tomando como referencia el tamaño de las olas.

La Escala de Beaufort es una medida empírica para la intensidad del viento, basada principalmente en el estado del mar, de sus olas y la fuerza del viento.

Alteraciones

Las olas son procesos muy complejos, que sufren grandes transformaciones en su movimiento hacia la costa, tanto en la altura de ola, como en la longitud de onda, como en la velocidad de propagación, así como en el movimiento del agua al paso de una ola (círculos, elipses, segmentos, corrientes) y también respecto a su propia forma, llegando incluso a romper, por efecto del fondo.

Cuando la ola rompe, el agua se desplaza, por encima del nivel medio del mar, hacia la costa, y como evidentemente no se acumula en la costa vuelve, en forma de corriente, por debajo del nivel de la propia ola, formando lo que comúnmente se conoce como resaca (undertow).

Las olas, lo mismo que otros procesos semejantes, están sujetas a fenómenos de reflexión, refracción y difracción. La refracción depende de diferencias en la velocidad de propagación entre diferentes medios, y se observa cuando las penetran en aguas menos profundas, donde se ven frenadas.

II.1.1 Clasificación de las ondas

 

En función del medio en el que se propagan

 

 

 Ondas Mecánicas

 

Las ondas mecánicas necesitan un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio. Como en el caso de una alfombra o un látigo cuyo extremo se sacude, la alfombra no se desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella. La velocidad puede ser afectada por algunas características del medio como: la homogeneidad, la elasticidad, la densidad y la temperatura. Dentro de las ondas mecánicas tenemos las ondas elásticas, las ondas sonoras y las ondas de gravedad.

 

 

 

 Ondas Electromagnéticas

 

Las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin necesidad de un medio, pudiendo por lo tanto propagarse en el vacío. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado. Las ondas electromagnéticas viajan aproximadamente a una velocidad de 300000 km por segundo, de acuerdo a la velocidad puede ser agrupado en rango de frecuencia. Este ordenamiento es conocido como Espectro Electromagnético, objeto que mide la frecuencia de las ondas.

Ondas Gravitacionales

 

Las ondas gravitacionales son perturbaciones que alteran la geometría misma del espacio tiempo y aunque es común representarlas viajando en el vacío, técnicamente no podemos afirmar que se desplacen por ningún espacio, sino que en sí mismas son alteraciones del espacio-tiempo.

 

En función de su propagación o frente de onda

 

 Ondas Unidimensionales

 

Las ondas unidimensionales son aquellas que se propagan a lo largo de una sola dirección del espacio, como las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de onda son planos y paralelos.

 

Ondas bidimensionales o superficiales

 

 Son ondas que se propagan en dos direcciones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de una superficie, por ello, se denominan también ondas superficiales. Un ejemplo son las ondas que se producen en una superficie líquida en reposo cuando, por ejemplo, se deja caer una piedra en ella.

 

 

Ondas Tridimensionales o esféricas

 

 

Son ondas que se propagan en tres direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones. El sonido es una onda tridimensional. Son ondas tridimensionales las ondas sonoras (mecánicas) y las ondas electromagnéticas.

En función de la dirección de la perturbación

 

Ondas longitudinales

 

Son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio se mueven o vibran paralelamente a la dirección de propagación de la onda. Por ejemplo, un muelle que se comprime da lugar a una onda longitudinal.

 

Ondas transversales

 

Son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.

En función de su periodicidad

 

Ondas periódicas

 

 La perturbación local que las origina se produce en ciclos repetitivos por ejemplo una onda senoidal.

 

Ondas no periódicas

 

 La perturbación que las origina se da aisladamente o, en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen características diferentes. Las ondas aisladas también se denominan pulsos.

 

 

 

II.1.2 Teoría del oleaje. Primera aproximación de Stokes

Las olas son producidas por diferentes causas. Existen olas que son generadas por el viento, por las mareas, por tormentas, por oscilaciones o por terremotos. Estas últimas se conocen como Tsunamis; son olas que alcanzan alturas considerables cuando rompen contra las costas.

Para que se genere una ola se requiere que exista una fuente de energía que, al transmitir al agua en reposo una cantidad determinada de energía, produce un movimiento oscilatorio de las partículas del líquido sin que haya un transporte importante de masa. Este movimiento oscilatorio es similar al que se induce por vibración a una cuerda que esté fija por sus dos extremos. Como se verá más adelante, la propagación de la energía dentro de la masa de agua está relacionada estrechamente con la propagación de las olas que se generan con esa energía.

El desarrollo de la Teoría de las olas se basa en la aplicación de las ecuaciones de Navier-Stokes en el flujo de fluidos viscosos en régimen no permanente.

La teoría que se trata en el texto se conoce como Teoría de Stokes . Algunos autores, como Iribarien por ejemplo, prefieren la Teoría Trocoidal la cual tiene un tratamiento matemático más complicado.

Para su estudio las olas se clasifican en Olas de pequeña amplitud y Olas de amplitud finita. Las primeras representan alteraciones pequeñas en la superficie del agua y no ocasionan problemas notables a las estructuras que están localizadas en alta mar o en la costa. Las olas de amplitud finita son las olas que interesan en los diseños de puertos, estructuras marinas y obras de protección de playas.

 

El estudio de las olas de pequeña amplitud se basa en la Teoría Lineal en la forma como fue desarrollada por Stokes. Es una aplicación simplificada de la ecuación general del flujo no permanente.

Supone que el flujo es irrotacional y utiliza solamente el primer término de la ecuación de Navier-Stokes. El resultado es una Ola Sinusoidal que tiene las siguientes características:

Los tres valores que caracterizan una ola son:

H = Altura

L = Longitud

T = Período.

El período T es una característica constante de la Ola durante su existencia. La longitud L y la altura H se modifican a medida que la Ola se desplaza desde el mar hacia la costa.

Se define como Mar Profundo aquel en el cual la relación entre la Longitud de la Ola y la Profundidad del agua es mayor que 2. Cuando la Ola está en mar profundo la rugosidad del fondo no afecta su comportamiento, pero a medida que entra al mar poco profundo la Longitud de la Ola tiende a disminuir y la

altura a aumentar por efecto de la fricción de la masa de agua con el fondo.

Las siguientes son las características de una Ola individual en mar profundo:

d = Profundidad del agua.

d / Lo > 1/2

Ho = Altura de la Ola.

Lo = Longitud de la Ola.

T = período.

Co = Celeridad o Velocidad de Fase = Lo / T

Co = 1.56 T m/s (sistema métrico)

El mar es Medianamente profundo cuando la relación d/L está comtprendida entre 1/2 y 1/10. En este caso se tienen las siguientes relaciones:

L = Lo tgh Kd
C = Co tgh Kdtgh Kd = tangente hiperbólica de Kd, donde K es el Número de la Ola ( K = 2 Pi / L )

Cuando d/L es menor que 1/10 la profundidad del agua es muy pequeña y se aceptan las siguientes aproximaciones:

L = T ( gd )1/2
C = ( gd )1/2g = 9.81 m/s2

II.1.3 Geometría estadística del oleaje. Distribución de Raleigh.

II.1.4 Predicción de oleaje.

II.1.5 Fenómenos del oleaje. Rompiente, refracción, difracción y reflexión.

II.1.6 Medición en campo. Oleaje y batimetría.

II.2 Mares.

II.2.1 Origen y clasificación.

II.2.2 Descripción del método de predicción. Uso de tablas de predicción de marea.

II.2.3 Correlación de niveles significativos a cuerpos costeros próximos a la estación

oceanográfica.

II.2.4 Clasificación de corrientes. Corrientes producidas por mareas.

II.2.5 Medición de campo.