Onde Marine - Libero.it
18
Onde Marine dott. Massimo Vascotto [email protected] Le onde possono essere provocate da scambi energetici di varia natura: 1. Azione del vento (cinetica); 2. Azione delle maree (attrazione lunisolare); 3. Esplosioni sottomarine; 4. Movimenti tettonici. La superficie libera del mare è in continuo movimento rispetto alla superficie orizzontale di equilibrio che costituisce il livello medio del mare. L'onda si può perciò definire come una perturbazione della superficie del mare. La genesi dell’onda marina La turbolenza da esse provocata favorisce, fra l'altro, lo scambio dei gas e quindi l'arricchimento dell'ambiente marino e la pulizia dei fondali costieri dai sedimenti alluvionali. Lo spostamento medio, funzione dello spazio e del tempo, secondo una funzione del tipo η η = = η η(x, t) x, t), definisce il moto ondoso. Anche se, a prima vista potrebbe apparire tale, il moto ondoso non non è un fenomeno periodico un fenomeno periodico . La genesi dell’onda marina Le onde onde legate ai processi meteorologici processi meteorologici sono dette onde di vento onde di vento e si originano per effetto dell'azione del vento sulla superficie del mare. Il processo ha inizio con la presenza di piccole increspature sulla superficie (ben note a chi va a vela), le quali si amplificano con il persistere della causa, portandolo, al momento in cui si raggiunge l'equilibrio energetico, alle condizioni di mare completamente sviluppato. Può però essere studiato statisticamente sia in funzione del tempo che dello spazio, mantenendo cioè rispettivamente costanti la variabile x o la variabile t, nella funzione che rappresenta il moto ondoso.
Transcript of Onde Marine - Libero.it
1
Onde Marine
dott. Massimo [email protected]
Le onde possono essere provocate da scambi energetici di varia natura:1. Azione del vento (cinetica);2. Azione delle maree (attrazione lunisolare);3. Esplosioni sottomarine;4. Movimenti tettonici.
La superficie libera del mare è in continuo movimento rispetto alla superficie orizzontale di equilibrio che costituisce il livello medio del mare. L'onda si può perciò definire come una perturbazione della superficie del mare.
La genesi dell’onda marina
La turbolenza da esse provocata favorisce, fra l'altro, lo scambio dei gas e quindi l'arricchimento dell'ambiente marino e la pulizia dei fondali costieri dai sedimenti alluvionali.
Lo spostamento medio, funzione dello spazio e del tempo, secondo una funzione del tipo ηη = = ηη((x, t)x, t), definisce il moto ondoso.
Anche se, a prima vista potrebbe apparire tale, il moto ondoso non non èèun fenomeno periodicoun fenomeno periodico.
La genesi dell’onda marina
Le ondeonde legate ai processi meteorologiciprocessi meteorologici sono dette onde di ventoonde di vento e si originano per effetto dell'azione del vento sulla superficie del mare.
Il processo ha inizio con la presenza di piccole increspature sulla superficie (ben note a chi va a vela), le quali si amplificano con il persistere della causa, portandolo, al momento in cui si raggiunge l'equilibrio energetico, alle condizioni di mare completamente sviluppato.
Può però essere studiato statisticamente sia in funzione del tempo che dello spazio, mantenendo cioè rispettivamente costanti la variabile xx o la variabile tt, nella funzione che rappresenta il moto ondoso.
2
La rappresentazione delle onde marineLa descrizione dei fenomeni ondosi avviene per lo più avvalendosi di modelli: il modello più semplice utilizzabile per descrivere il moto ondoso è il modello dell‘ onda trocoidaleonda trocoidale.
Il moto trocoidale è il moto compostomoto composto di un punto posto su una circonferenza di centro C e di raggio r che rotola senza strisciare con moto rettilineo uniforme.
Di conseguenza, mentre il centro della circonferenza si muove di moto rettilineo uniforme, il punto descrive il moto trocoidale
x = t + r sin(kt)x = t + r sin(kt)y = r cos(kt) y = r cos(kt)
http://maritime.haifa.ac.il/departm/lessons/ocean/lect18.htm
La rappresentazione delle onde marineIl processo di formazione dell’onda secondo la teoria trocoidale:
http://w3.ime.net/~nmorse/thesis/; http://www.nautica.it/meteo/tempo/mare.htm
La rappresentazione delle onde marineIl processo di avanzamento delle creste:
http://w3.ime.net/~nmorse/thesis/; http://www.nautica.it/meteo/tempo/mare.htm
3
La rappresentazione delle onde marineInoltre, in un mare sufficientemente profondo, tutte le particelle di acqua soggette al movimento descrivono traiettorie circolari concentro fisso e velocità angolare costante.
Dalla figura si può osservare come tutti i centri delle circonferenze giacciono sulla stessa retta, mentre i raggi decrescono in modo esponenziale all'aumentare della profondità, fino ad annullarsi.
Le onde possono essere classificate in base a
LUNGHEZZALUNGHEZZA
Onde CorteOnde Cortese L<100m;
Onde MedieOnde Mediese 100<L<200m;
Onde LungheOnde Lunghese L>200m.
ALTEZZAALTEZZA
Onde Bassese H<2m;
Onde Mediese 2<H<4m;
Onde Altese H>4m.
Lunghezza dell’onda
http
://do
de77
7.je
eran
.com
/ann
ounc
emen
t_pa
ge1.
htm
l
La descrizione delle onde marineA rigore, questa situazione si verifica realmente solo dove le onde assumono una forma più liscia e regolare (si parla di onde onde significativesignificative), per esempio al di là di una tempesta.
Tutto ciò ci consente di notare come il moto ondoso sia un fenomeno che interessa prevalentemente lo strato superficialestrato superficiale dell'oceano e come la profondità delle acque giochi un ruolo essenziale nello sviluppo del processo.
Al di là della sua rappresentazione analitica, un'onda può essere descritte attraverso due differenti modalità:
Descrizione in funzione Descrizione in funzione del tempo;del tempo;
Descrizione in funzione Descrizione in funzione dello spazio.dello spazio.
4
Descrizione in funzione del tempoPer la descrizione di un'onda in funzione del tempo, esistono due metodologie:
Mare Lungo;Mare Lungo;
Mare Vivo.Mare Vivo.
http://www.freedesktopwallpapers.net/ocean/waves.shtml
E’ caratterizzato da onde similionde simili fra loro, pertanto il fenomeno può essere descritto attraverso i seguenti parametri:
1. Lunghezza (LL)
2. Ampiezza (AA)
3. Altezza (HH)
4. Velocità di propagazione (cc)
5. Periodo (TT)
6. Ripidità (δδ = H/L)= H/L)
Mare Lungo
Dal valore della Ripidità(δδ=H=H/L/L)) dipende il frangersi o meno delle creste, anche senza l'azione dinamica del vento.
Infatti, se la ripidità H/L>1/7H/L>1/7(onda che si accorcia e diviene ripida), le creste diventano vere e proprie cuspidi e si rompono generando spuma.
Tale fenomeno può talora essere utile per avvistare una zona di bassifondi. Infatti, vedendo, per esempio, una zona dove le onde frangono senza un apparente motivo, se ne può dedurre la presenza di un bassofondo.
Mare Lungo
http://www.nautica.it/info/tecnica/onde.htm
HH
HH
HH
5
Il mare vivomare vivo è caratterizzato da onde diverse e, pertanto, si può rappresentare e descrivere solo attraverso parametri di tipo statistico, quali:
1. Altezza media (<H>)
2. Altezza media delle onde piùsignificative (definita come la media delle altezze eseguite su un campione delle onde più alte pari ad 1/3 di quelle registrate nel corso dell'analisi, H1/3)
Mare Vivo
3. Altezza media delle onde più probabili (esprime la media delle altezze eseguite su un numero di onde più alte pari ad 1/10 di quelle registrate, H1/10). Evidentemente, HH1/101/10> H> H1/31/3.
4. Altezza delle onde caratteristiche (rappresenta la media delle altezze eseguite su un numero di 15-20 onde meglio sviluppate per ogni gruppo di onde osservato, Hc. In particolare si ha che Hc~HHc~H1/31/3).
E, inoltre:
5. Periodo dell'onda media (<T>)
6. Periodo delle onde caratteristiche (si ricava a partire dal numero di onde osservate in funzione dell'intervallo di osservazione, Tc).
7. Età del mare, definita da:
ββ = c/V= c/VL'età del mare dipende da:
A. Durata del vento (tempo per cui il vento agisce con parametri costanti);
B. Fetch, (tratto di mare su cui il vento agisce con parametri costanti).
Il mare vivo si contraddistingue per le crestine che si formano sulla cima dell'onda.
Mare Vivo
Descrizione in funzione dello spazioNella descrizione in funzione dello spazio si procede effettuando l‘analisi dello spettro delle ondeanalisi dello spettro delle onde che si ottiene riportando su un diagramma cartesiano il quadrato dell'ampiezzaquadrato dell'ampiezza dell'onda in funzione della frequenzafrequenza oppure del periodo dell'ondaperiodo dell'onda (si ricordi che f=1/T=c/λ), ottenendo per ogni armonica un diagrama come in figura.
Il moto ondoso può essere infatti pensato come una serie di oscillazioni con andamento sinusoidale caratterizzati da periodo ed ampiezza differenti.
L‘intensitintensitàà dell'ondadell'onda risulta essere pari a:
I = 2(I = 2(ππ f V f V ρρ))22 AA22
L‘energia dell'ondaenergia dell'onda è data invece dalla relazione:
E = 1/2 E = 1/2 ρρ g Ag A22 LL
Pertanto: E E ∝∝ I I ∝∝ AA22 http
://w
ww
.pie
trosf
errin
o.ne
t/
6
Nel grafico in figura, l'area sottesa rappresenta l'energia dell'onda (si ricordi il significato della stabilità dinamica). Si può allora osservare come gran parte dell'energia sia concentrata a cavallo del massimo (fmax o Tmax).
La frequenza massima per (fmax) è funzione della velocità del vento (kt) secondo la relazione: ffmaxmax = 2,476/V= 2,476/V
Descrizione in funzione dello spazio
Descrizione in funzione dello spazioNel grafici sono rappresentati gli spettri relativi ad onde create con differenti intensità di vento (in funzione della frequenza e del periodo – si ricordi, ancora una volta che: f=1/T=c/λ –).
http://www.pietrosferrino.net/
Propagazione dell’ondaLe componenti che mantengonomantengono oppure riportanoriportano l'acqua nella posizione orizzontale sono individuabili da:
1. Tensione Superficiale;
2. Forza di Gravità.
Tensione superficialeTensione superficiale poiché innesca le onde capillarionde capillari, che sono le prime increspature che si possono osservare sulla superficie del mare con l'alzarsi del vento, cioè le increspature secondarie che si sviluppano su onde già formate. Le onde capillari si caratterizzano per una lunghezza d'onda molto piccola (<2cm, 1,73 per la precisione) ed un'altezza altrettanto ridotta (<<1cm). Il periodo dell'onda è T<1/10s. Vengono studiate solo a scopo scientifico. http://earthsci.org/processes/weather/waves/Waves.htm
7
Propagazione dell’ondaForza di gravitForza di gravitàà: provoca le onde di gravità, che si caratterizzano per i seguenti parametri: T = 1÷30s; ~2≤L≤~100m, H≤20m (condizione quest'ultima che, nel suo estremo di destra, definisce le onde anomale).Le onde di gravità si distinguono inoltre in due sottoclassi:Onde corte o di acqua profondaOnde corte o di acqua profondase, definita con d la profondità del mare, risulta che: d>L/2. Queste onde presentano una velocità di propagazione proporzionale alla lunghezza d'onda.
Onde lunghe o di acqua bassaOnde lunghe o di acqua bassa se invece si ha che: d>L/25.Si caratterizzano per una velocità di propagazione condizionata dalla profondità del mare, in maniera tale che valga la relazione:
>d >d ⇒⇒ >H >H [maggior profondità ⇒ maggior altezza]
http://maritime.haifa.ac.il/departm/lessons/ocean/lect18.htm
Effetto della costaLe onde si formano ad una certa distanza dalla costa, si accrescono e si rompono in prossimità della riva.
Al largo, i fronti d'onda formano un certo angolo con la spiaggia; man mano che si avvicinano alla terra ferma, però, le creste si dispongono quasi parallelamente alla costa e si trasformano in frangenti (refrazione della costarefrazione della costa).
La zona di frangimento, cioè la fascia marina entro la quale le onde si rompono, è indicatrice della profondità dell'acqua: se il fondale èfortemente inclinato si hanno onde di piccole dimensioni, che frangono sulla riva; nel caso di fondali debolmente digradanti, con numerose barre sommerse, invece, le onde si rompono più a largo.
http://pcfarina.eng.unipr.it/Dispense99/pizzelli117297/pizzelli117297.htm
Effetto della costaAnche se l'onda, nel suo complesso, si sposta costantemente verso la riva, le particelle d'acqua che la costituiscono si muovono secondo orbite approssimativamente circolari; queste, in superficie, hanno raggi ampi, ma, con l'aumentare della profonditàdecrescono fino ad annullarsi.In prossimità della costa, dove il mare è poco profondo, le orbite delle particelle più superficiali sono ancora circolari, ma quelle descritte dalle particelle dei livelli d'acqua profondi cominciano ad appiattirsi, diventando ellittiche, fino a non potersi più muovere in senso verticale. Tale distorsione delle orbite provoca un rallentamento dell'intera onda; il periodo di tempo che intercorre tra il passaggio di un'onda e quello della successiva, invece, rimane costante e per tale motivo le onde diventano più alte e più ripide, fino a rompersi in avanti.
8
Effetto della costaRiassumendo, quando un'onda si avvicina ad una costa irregolare, essa non tocca il livello di fondo nello stesso istante lungo tutta la sua lunghezza. Quella parte di onda che si trova sul fondale più basso rallenta la sua velocità prima cosicché il profilo trasversale dell'onda si inflette. Questo fenomeno è detto rifrazionerifrazione, e produce una concentrazione di energia in corrispondenza dei promontori e delle sporgenze costiere, mentre nelle baie e nei golfi l'energia viene dissipata in un fronte più ampio e le onde che raggiungono la riva sono meno forti. Il risultato di questa distribuzione di energia è lo smantellamento dei promontori ed il riempimento delle baie mediante trasporto di sedimenti, con la tendenza finale a rendere più rettilinea la costa.
http://www.racine.ra.it/wwfravenna/WWF%20OK/2%20onde%20maree%20correnti2.htm
Effetto della costaInoltre, siccome le onde incontrano la riva obliquamente, ne risulta una componente di deriva con trasporto longitudinale di materiale, parallelamente alla spiaggia. Si instaura così una corrente parallela al litorale (corrente di deriva litorale) che è interrotta di tanto in tanto da correnti di risucchiocorrenti di risucchio (rip rip currentscurrents), nei mari oceanici molto forti e pericolose.
http://www.racine.ra.it/wwfravenna/WWF%20OK/2%20onde%20maree%20correnti2.htm
Le onde che hanno origine all'insorgere del vento, si presentano come una serie di increspature sulla superficie del mare che con il persistere della causa, si amplificano sempre di più, finché non viene raggiunto un equilibrio tra energia acquisita (dal vento) ed energia dissipata per effetto dell'attrito di movimento delle particelle che compongono l'onda. Quando queste condizioni vengono realizzate, il mare diventa stabile e si parla di mare completamente sviluppatomare completamente sviluppato.
Fattori responsabili sono:1. VelocitVelocitàà del ventodel vento2. Durata del ventoDurata del vento3. FetchFetch4. ProfonditProfonditàà dell'acquadell'acqua5. InstabilitInstabilitàà dell'ariadell'aria (l'aria, più fredda dell'acqua, essendo riscaldata dal basso, tende ad allontanarsi dal suolo, lasciando un vuoto che viene colmato da movimenti di tipo avvettivo, a raffiche, da parte dell'aria circostante, con ripercussioni sulla ripidità: δ = H/L).6. Correnti marineCorrenti marine (in quanto portano ad un aumento oppure una diminuzione della ripidità, a seconda di come è diretta).
Mare completamente sviluppato
http://www.epa.qld.gov.au/environmental_management/coast_and_oceans/waves_and_storm_tides/wave_monitoring/waverider_buoys/
9
http://earthsci.org/processes/weather/waves/Waves.htm
Da osservare che i parametri di duratadurata e fetchfetch sono tabulati e, unitamente alla velocità del vento, sono legati fra loro da leggi di proporzionalitproporzionalitàà direttadiretta: se i valori calcolati risultano inferiori a quelli tabulati, il mare non è completamente sviluppato.
In sostanza, all'aumentare dell'intensità del vento, l'onda si sviluppa secondo valori di H ed L sempre più grandi. Contestualmente i valori di fetch e di durata devono essere più lunghi.
Mare completamente sviluppato
12.412.4158.6158.610.3010.3050.0050.00168216828080
9.19.189.289.25.105.1027.5027.506606606060
6.26.239.739.71.801.8011.5011.501761764040
3.23.210.610.60.330.332.752.7524242020
Periodo Periodo (s)(s)
Lunghezza Lunghezza (m)(m)
Altezza Altezza (m)(m)
Durata Durata (h)(h)
Fetch Fetch (km)(km)
VelocitVelocitàà del del Vento (km/h)Vento (km/h)
Una volta prodotta, l'onda si propaga secondo lo schema in figuraMare completamente sviluppato
10
http://pollux.nss.nima.mil/pubs/pubs_j_apc_list.html
Le informazioni per il marittimo
Determinazione dello stato del mareIl calcolo dello stato del mare può essere effettuato in base a due metodi:
1. Manuale, basato sull'intensità del vento (Scala BeaufortScala Beaufort);
2. Numerico, grazie a nomogrammi, modelli e all'uso del calcolatore.
Le dimensioni delle onde, ossia la forza del mare, possono inoltre essere misurate sulla base della Scala Douglas.Scala Douglas.
Lo studio delle onde, correlato ai processi meteorologici, consente infine di effettuare la previsione delle onde.
http://dode777.jeeran.com/announcement_page1.html
SCALA DOUGLAS FORZA DEL
MARE DESCRIZIONE ALTEZZA DELLE ONDE (m)
0 calmo 0 1 quasi calmo 0,10 2 poco mosso 0,10 - 0,50 3 mosso 0,50 - 1,25 4 molto mosso 1,25 - 2,50 5 agitato 2,50 - 4 6 molto agitato 4 - 6 7 grosso 6 - 9 8 molto grosso 9 - 14 9 tempestoso 15
Scala Douglas
11
Scala Beaufort 00
Scala Beaufort 11
Scala Beaufort 22
12
Scala Beaufort 33
Scala Beaufort 44
Scala Beaufort 55
13
Scala Beaufort 66
Scala Beaufort 77
Scala Beaufort 88
14
Scala Beaufort 99
Scala Beaufort 1010
Scala Beaufort 1111
15
Scala Beaufort 1212
RiferimentiBarry Chorley "Atmosphere, weather & climate" Ed. Routledge, LondraHalliday Resnick Krane "Fondamenti di Fisica" Ed. Ambrosianahttp://apollo.lsc.vsc.edu/http://pcangelo.eng.unipr.it/dispense98/Delsoldato113961/Delsoldato113961.htmhttp://w3.ime.net/~nmorse/thesis/http://www.geologi.it/http://www.geologia.com/area_raga/coste/coste.htmlhttp://www.luda.it_~musrosi_gruppi_biologia_pp.smhttp://www.nautica.it/info/tecnica/onde.htmhttp://www.oceanweather.com/data/global.htmlhttp://www.tpub.com/weather1/6c.htmIstituto Idrografico della Marina "Manuale dell'Ufficiale di Rotta"Mosetti "Fondamenti di Oceanologia e Idrologia" Ed UTETNOAA “Observing Handbook No.1 Marine Surface Weather Observation”Sannino "Meteorologia Nautica" Ed. ItalibriStravisi Dispense di "Oceanografia" Università degli Studi di Trieste (http://www.dst.univ.trieste.it/OM/OM.html).
http://www.pietrosferrino.net/
16
http://www.velaemotore.it/edisport/vela/home.nsf/63dc2008e2519190c12567b7002f06a9/80720921bb39d998c1256d650034e40f?OpenDocument
http://www.racine.ra.it/wwfravenna/WWF%20OK/2%20onde%20maree%20correnti2.htm
http://www.racine.ra.it/wwfravenna/WWF%20OK/2%20onde%20maree%20correnti2.htm
17
http://www.racine.ra.it/wwfravenna/WWF%20OK/2%20onde%20maree%20correnti2.htm
http://earthsci.org/processes/weather/waves/Waves.htm
18
http://www.oceanservice.noaa.gov/education
Nomogramma di Sverdrup-Munk-Bretschneider per il calcolo dell’altezza dell’onda
Altezza dellAltezza dell’’onda in piedi; onda in piedi; 1piede = 0,3048m1piede = 0,3048m
Nomogramma di Dorrestein per il calcolo dell’altezza dell’onda
Font
e: W
MO
702
-GU
IDE
TO W
AVE
AN
ALYS
IS A
ND
FO
RE
CA
STIN
G p
ag. 4
4
NOTA INFORMATIVAIl contenuto della presentazione comprensivo di tutti i dati, informazioni, comunicazioni, software, foto, grafici, disegni e in generale qualsiasi materiale e servizio ivi presente, ove non diversamente indicato sono di proprietà dei rispettivi autori. Il materiale è stato tratto dalla consultazione di siti web con finalità esclusivamente didattiche o di ricerca scientifica, indicando la fonte, in osservanza a quanto stabilito dalla Legge n° 633/41 e dal D.Lvo n° 169/1999.
ESCLUSIONE DI RESPONSABILITA‘Il presente materiale serve per consentire al pubblico un più ampio accesso all'informazione. L'obiettivo perseguito è quello di fornire un'informazione aggiornata e precisa. Qualora dovessero essere segnalati degli errori, si provvederà a correggerli. Non si assume alcuna responsabilità per quanto riguarda il materiale contenuto. Tale materiale è costituito da informazioni di carattere esclusivamente generale che non riguardano fatti specifici relativi ad una persona o un organismo determinati. Non èsempre necessariamente esauriente, completo, preciso o aggiornato. E' talvolta collegato con siti esterni sui quali non si dispone di alcun controllo e per i quali non assume alcuna responsabilità. Non costituisce un parere di tipo professionale o legale. Va ricordato che non si può garantire che un documento disponibile in linea riproduca esattamente un testo adottato ufficialmente. Parte dei dati o delle informazioni presenti nel sito sono stati inseriti o strutturati in archivi o formati che possono non essere esenti da errori. Non si può pertanto garantire che il servizio non sia influenzato da tali problemi. La presente clausola di esclusione della responsabilità non ha lo scopo di limitare le responsabilità in violazione di disposizioni della legge nazionale applicabile, né di escluderla nei casi in cui non può essere esclusa in forza di detta legge.
