10.1: Fundamentos de Ondas

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Las olas generalmente comienzan como una perturbación de algún tipo, y la energía de esa perturbación se propaga en forma de ondas. Estamos más familiarizados con el tipo de olas que rompen en la costa, o rocen un barco en el mar, pero hay muchos otros tipos de olas que son importantes para la oceanografía:

Las ondas internas se forman en los límites de masas de agua de diferentes densidades (es decir, en una picnoclina), y se propagan a profundidad. Estas generalmente se mueven más lentamente que las olas superficiales, y pueden ser mucho más grandes, con alturas superiores a 100 m. Sin embargo, la altura de la onda profunda sería imperceptible en la superficie.
Las mareas se deben al movimiento de las mareas. Lo que pensamos como mareas son básicamente ondas enormemente largas con una longitud de onda que puede abarcar la mitad del globo (ver sección 11.1). Los maremotos no están relacionados con los tsunamis, así que no confundas a los dos.
Los tsunamis son grandes olas creadas como resultado de sismos u otras perturbaciones sísmicas. También se les llama olas sísmicas del mar (sección 10.4).
Las olas de chapoteo se forman cuando algo cae al océano y crea un chapoteo. La ola gigante en la bahía de Lituya que se describió en la introducción a este capítulo fue una ola de chapoteo.
Se forman ondas atmosféricas en el cielo en el límite entre masas de aire de diferentes densidades. Estos suelen crear efectos de ondulación en las nubes (Figura$\PageIndex{1}$).

Figura Patrones de$\PageIndex{1}$ vigilia en la cobertura de nubes sobre Isla Possession, Isla Este, Ile aux Cochons, Ile de Pingouins. El patrón de ondulación es resultado de ondas internas en la atmósfera (NASA [Dominio público], vía Wikimedia Commons).

Hay varios componentes para una onda básica (Figura$\PageIndex{2}$):

Nivel de agua sin gas: donde estaría la superficie del agua si no hubiera olas presentes y el mar estaba completamente tranquilo.
Cresta: el punto más alto de la ola.
Comedero: el punto más bajo de la ola.
Altura de ola: la distancia entre la cresta y el canal.
Longitud de onda: la distancia entre dos puntos idénticos en ondas sucesivas, por ejemplo cresta a cresta, o de canal a canal.
Inclinación de las olas: la relación entre la altura de ola y la longitud (H/L). Si esta relación excede 1/7 (es decir, la altura excede 1/7 de la longitud de onda) la onda se vuelve demasiado empinada y se romperá.

Figura$\PageIndex{2}$ Componentes de una onda básica (Modificado por PW de Steven Earle “Physical Geology”).

También hay una serie de términos utilizados para describir el movimiento de las olas:

Periodo: el tiempo que tardan dos crestas sucesivas en pasar un punto determinado.
Frecuencia: el número de ondas que pasan por un punto en una cantidad determinada de tiempo, generalmente expresada como ondas por segundo. Esta es la inversa del periodo.
Velocidad: qué tan rápido viaja la ola, o la distancia recorrida por unidad de tiempo. Esto también se llama celeridad (c), donde

c = longitud de onda x frecuencia

Por lo tanto, cuanto mayor sea la longitud de onda, más rápida será la onda.

Si bien las olas pueden recorrer grandes distancias, el agua misma muestra poco movimiento horizontal; es la energía de la ola la que se está transmitiendo, no el agua. En cambio, las partículas de agua se mueven en órbitas circulares, con el tamaño de la órbita igual a la altura de ola (Figura$\PageIndex{3}$). Este movimiento orbital se produce porque las ondas de agua contienen componentes tanto de ondas longitudinales (de lado a lado) como transversales (arriba y abajo), lo que lleva a un movimiento circular. A medida que pasa una ola, el agua se mueve hacia adelante y hacia arriba sobre las crestas de la ola, luego hacia abajo y hacia atrás hacia los canales, por lo que hay poco movimiento horizontal. Esto es evidente si alguna vez has visto un objeto como una ave marina flotando en la superficie. El ave se balancea hacia arriba y hacia abajo a medida que la ola pasa por debajo de ella; no es transportada horizontalmente por una sola cresta de ola.

Figura$\PageIndex{3}$ Animación que muestra el movimiento orbital de partículas en una onda superficial (Por Kraaiennest (Obra propia) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) o CC BY-SA 4.0], vía Wikimedia Commons).

El movimiento orbital circular disminuye con la profundidad ya que la ola tiene menos impacto en las aguas más profundas y el diámetro de los círculos se reduce. Eventualmente a cierta profundidad ya no hay movimiento circular y el agua no se ve afectada por la acción de las olas superficiales. Esta profundidad es la base de onda y equivale a la mitad de la longitud de onda (Figura$\PageIndex{4}$). Dado que la mayoría de las olas oceánicas tienen longitudes de onda inferiores a unos pocos cientos de metros, la mayor parte del océano más profundo no se ve afectado por las olas superficiales, por lo que incluso en las tormentas más fuertes la vida marina o los submarinos pueden evitar olas pesadas sumergiéndose por debajo de la base de olas.

Figura Movimiento$\PageIndex{4}$ orbital del agua dentro de una ola, extendiéndose hacia abajo hasta la base de olas a una profundidad de la mitad de la longitud de onda (Modificado por PW de Steven Earle, “Geología Física”).

Cuando el agua debajo de una ola es más profunda que la base de la ola (más profunda que la mitad de la longitud de onda), esas olas se llaman ondas de agua profunda. La mayoría de las olas de mar abierto son olas de aguas profundas. Dado que el agua es más profunda que la base de olas, las olas de aguas profundas no experimentan interferencia desde el fondo, por lo que su velocidad solo depende de la longitud de onda:

$s)} =\ sqrt {\ frac {gL} {2\ pi}}$

donde g es gravedad y L es longitud de onda en metros. Dado que g y π son constantes, esto puede simplificarse para:

$s)} = 1.25\ sqrt {L}$

Las olas de aguas poco profundas ocurren cuando la profundidad es menor a 1/20 de la longitud de onda. En estos casos, se dice que la onda “toca fondo” porque la profundidad es menor que la base de olas por lo que el movimiento orbital se ve afectado por el fondo marino. Debido a la poca profundidad, las órbitas se aplanan, y eventualmente el movimiento del agua se vuelve horizontal en lugar de circular justo por encima del fondo. La velocidad de las olas de aguas poco profundas depende solo de la profundidad:

$s)} =\ sqrt {gd}$

donde g es gravedad y d es profundidad en metros. Esto puede simplificarse para:

$s)} = 3.13\ sqrt {d}$

Las ondas intermedias o transicionales se encuentran en profundidades entre ½ y 1/20 de la longitud de onda. Su comportamiento es un poco más complejo, ya que su velocidad está influenciada tanto por la longitud de onda como por la profundidad. La velocidad de una onda intermedia se calcula como:

$s)} =\ sqrt {\ frac {gL} {2\ pi}\ tanh (2\ pi {\ frac {d} {L})}$

que contiene variables de profundidad y longitud de onda.