مقالات

مشخصات موج دریا: تاج، قعر و انواع امواج

مشخصات موج دریا شامل تاج موج، قعر موج، طول موج، ارتفاع موج و دامنه موج است. این ویژگی‌ها برای تحلیل وضعیت دریا و طراحی سازه‌های دریایی اهمیت دارند. در این مقاله به بررسی انواع موج‌ها، از جمله امواج تولیدشده توسط باد، امواج متلاطم (swell)، امواج سرکش و سونامی می‌پردازیم.

  • تاج موج (Crest): بالاترین نقطه موج
  • قعر موج (Trough): پایین‌ترین نقطه موج
  • طول موج (Wavelength): فاصله از یک تاج تا تاج بعدی (متر)
  • ارتفاع موج (Wave Height): ارتفاع از قعر تا تاج موج (متر)
  • شیب موج (Wave Steepness): نسبت ارتفاع موج به طول موج
  • دامنه موج (Wave Amplitude): فاصله از مرکز موج تا تاج (متر)
  • دوره تناوب موج (Wave Period): زمان عبور یک طول موج کامل از نقطه معین
شکل ‏1- 1 مشخصات موج دریا

این مشخصه‌ها در تعیین اندازه امواج، سرعت حرکت آنها، میزان مقاومت افزوده موج بر حرکت کشتی در دریانوردی و بسیاری موارد دیگر مهم هستند. در ادامه نحوه ایجاد و توسعه امواج و انواع موج بیان می‌شود.

1-1 توسعه و حرکت موج

امواج معمولاً از مرکز یک طوفان منتشر می‌شوند. این امواج با امواج از قبل موجود ترکیب می شوند و دریای مغشوش را با امواج بزرگ و کوچک با طول موج‌های مختلف در همه جهات در حال حرکت ایجاد می‌کنند (شکل ‏1- 2). برخی از امواج در همان جهت طوفان حرکت خواهند کرد و احتمالاً بزرگتر خواهند شد. برخی دیگر در جهت مخالف حرکت خواهند کرد و احتمالاً با گذشت زمان انرژی خود را از دست می دهند و محو می شوند. امواج سریعتر (یعنی طول موج بلندتر و دوره موج کوتاهتر) از امواج کوچکتر سبقت می‌گیرند و این اولین امواجی هستند که در سواحل دور شکسته می‌شوند. همانطور که امواج از طوفان به پراکندگی ادامه می دهند، در گروه‌هایی با اندازه و سرعت موج های مختلف به طور مداوم از منبع دور می شوند. این به عنوان قطار موج شناخته می شود.

انرژی موج با سرعت یک گروه از امواج مرتبط است. هر گروه امواج، متشکل از امواج کوچکتر در سمت ابتدایی و انتهایی گروه و امواج بزرگتر در وسط گروه می‌باشد. امواج دریا بصورت گروهی پیشروی می‌کنند، ابتدا اندازه آنها افزایش می یابد، سپس با نزدیک شدن به جلوی گروه کوچک می شوند، سپس ناپدید می‌شوند. در همین حین، امواج جدیدی در پشت گروه در حال شکل گیری است و در گروه جدید حرکت می‌کند (شکل ‏1- 3).

شکل ‏1- 3 گروه امواج در حال انتشار
1 - 2 انواع امواج

1 - 2 - 1 امواج تولید شده توسط باد (Wind waves)

امواج باد نتیجه مغشوش شدن سطح اقیانوس توسط باد و جابجایی آب است. نیروهای طبیعی، مانند کشش سطحی آب (مویینگی)، یا گرانش، برای بازگرداندن آب آشفته به حالت آرام کار می‌کنند و سطح آب را صاف می‌کنند. انواع مختلفی از امواج با توجه به نوع نیروی بازگرداننده آنها معرفی شده‌اند. بادهای کوچک مقدار کمی آب را روی سطح جابجا می‌کنند و امواج مویینگی (capillary waves) با طول موج بسیار کوتاه ایجاد می کنند. در اینجا، مویینگی به عنوان نیروی بازگرداننده عمل می‌کند. امواج مویینگی معمولاً فقط چند سانتی متر طول دارند. بادهای قوی‌تر امواج گرانشی ایجاد می‌کنند که گرانش به عنوان نیروی بازگرداننده عمل می‌کند (شکل ‏1- 4). طول این امواج می تواند متر تا کیلومتر باشد، همچنین محدود دوره تناوب انواع امواج دریا در شکل ‏1- 5 ارائه شده است.

شکل ‏1- 4 امواج مویینگی و گرانشی دریا
شکل ‏1- 5 طبقه بندی طیف امواج اقیانوس بر اساس دوره تناوب موج

1 - 2 - 2 امواج متلاطم (Swell)

امواجی که در یک روز غیرطوفانی روی سطح اقیانوس می‌بینید در واقع توسط بادهای محلی ایجاد نمی‌شوند، بلکه توسط بادها و طوفان‌های دوردست ایجاد شده‌اند (شکل ‏1- 6). این امواج که از چشمه‌های دور سرچشمه می‌گیرند، امواج متلاطم یا swell می‌گویند. swell امواج گرانشی هستند که از بادهای قوی منشا می‌گیرند و می‌توانند مسافت‌های طولانی را در اقیانوس با اتلاف انرژی کمی طی کنند. موج اقیانوس معمولاً توسط طوفان‌های دریا (دور از ساحل) ایجاد می‌شود و می‌تواند انرژی را به سواحل دوردست منتقل کند و بصورت امواج شکسته نمایان شوند. موج‌هایی با طول موج‌های طولانی‌تر معمولاً ارتفاع موج کمتری دارند و کمتر در معرض اضمحلال ناشی از بادهای سطحی هستند. آنها همچنین انرژی بیشتری را حمل می‌کنند و به احتمال زیاد پس از رسیدن به ساحل، امواج شکسته بزرگی را تشکیل می‌دهند. موج swell، مانند یک هواپیما، کمترین مسافت بین دو نقطه از سطح زمین را طی می‌کند. این مسیرها به مسیرهای دایره بزرگ (Great Circle routes) معروف هستند. لازم به ذکر است کوتاه ترین فاصله بین دو نقطه از سطح کره، مانند زمین، یک خط مستقیم نیست، بلکه یک منحنی است. برای تصویر کردن یک مسیر دایره ای بزرگ بین دو نقطه، این مسیری است که روی یک کره کوچک قرار دارد که اگر بین آن دو نقطه انتهایی کشیده شود، یک نوار الاستیک در امتداد آن قرار می گیرد. هنگامی که روی آب هستید، ممکن است متوجه swell های متفاوتی شوید که از جهات مختلف می آید. بسته به اندازه swell و جهتی که در آن حرکت می کند، هنگامی که swell دیگر برخورد می کند، می تواند الگوهای موجی الماسی شکل یا دریچه ای ایجاد کند. همچنین ممکن است امواج باد در کنار امواج swell در یک ناحیه وجود داشته باشد و منجر به یک ناحیه دریای کاملا مغشوش شود.

شکل ‏1- 6 موج swell

1 - 2 - 3 امواج سرکش (Rogue Waves)

این امواج بسیار بزرگ هستند که در اثر تداخل امواج ایجاد می شوند. هنگامی که دو موج از یکدیگر عبور می‌کنند، می توانند جمع شوند یا خنثی شوند. این خاصیت امواج به عنوان تداخل شناخته می‌شود. اگر تاج یک موج از فرورفتگی موج دیگر عبور کند، خنثی می‌شوند که به آن تداخل مخرب می‌گویند. موج حاصل کوچکتر است و انرژی کمتری را حمل می‌کند. در حالی که اگر تاج یک موج با تاج موج دیگر برخورد کنند با یکدیگر جمع می‌شوند که به آن تداخل سازنده می‌گویند. موج حاصل بزرگتر است و انرژی بیشتری را حمل می‌کند، اما موقتی است و دوام کوتاه مدتی دارد. امواج سرکش نتیجه تداخل سازنده است که باعث می شود ارتفاع موج به طور غیرعادی بالاتر از امواج دیگر اطراف آن باشد و می‌تواند دریانوردان را غافلگیر کند. امواج سرکش بزرگ می‌تواند بسیار خطرناک باشد (شکل ‏1- 7).

شکل ‏1- 7 امواج سرکش (Rogue Waves)

1 - 2 - 4 سونامی (Tsunamis)

سونامی امواجی با طول موج بسیار طولانی هستند که در نتیجه رویدادهای لرزه‌ای مانند زلزله، رانش زمین در زیر آب یا فوران‌های آتشفشانی به وجود می‌آیند. طول موج می‌تواند بیش از 200 کیلومتر با دوره تناوب موج طولانی باشد. در اقیانوس باز (دور از ساحل) آنها بسیار سریع حرکت می‌کنند (همان سرعت یک هواپیمای جت)، اما دامنه بسیار کمی دارند (سانتی متر تا یک متر یا بیشتر). بنابراین، آنها شیب های موجی بسیار کوچکی دارند و ممکن است شما حتی در اعماق اقیانوس متوجه آن نشوید، زیرا امواج باد معمولی در عوض توجه شما را جلب می‌کنند. آنها ممکن است با دامنه کمی از دریا شروع کنند، اما وقتی با یک فلات قاره برخورد می‌کنند یا عمق آب کم می‌شود، ارتفاع موج آنها به طور چشمگیری افزایش می‌یابد و دیواره ای از آب ایجاد می‌کند که به ساحل نزدیک می‌شود (شکل ‏1- 8).

شکل ‏1- 8 سونامی (Tsunamis)

1 - 3 وضعیت دریا

در اقیانوس شناسی، وضعیت دریا، وضعیت کلی سطح آزاد روی حجم بزرگی از آب – با توجه به امواج و موج باد – در یک مکان و لحظه معین است. یک حالت دریایی با آمار، از جمله ارتفاع موج، دوره تناوب و طیف مشخص می شود. وضعیت دریا با زمان تغییر می کند، زیرا باد و شرایط امواج متلاطم (swell) تغییر می‌کند. وضعیت دریا را می‌توان یا توسط یک ناظر با تجربه (مانند یک دریانورد آموزش دیده) یا با استفاده از ابزارهایی مانند شناورهای آب و هوا، رادار امواج یا ماهواره های سنجش از دور ارزیابی کرد.

1 - 3 - 1 کد WMO وضعیت دریا

کد وضعیت دریا سازمان جهانی هواشناسی (WMO) بصورت جدول ‏1- 1 می‌باشد.

جدول ‏1- 1 کد WMO وضعیت دریا

1 - 3 - 2 وضعیت دریا در مهندسی دریا

در کاربردهای مهندسی، وضعیت‌های دریایی اغلب با سه پارامتر زیر مشخص می‌شوند:

  • ارتفاع موج مهم H13: ارتفاع متوسط یک سوم بلندترین امواج.
  • دوره تناوب متوسط Tmean
  • جهت حرکت موج