Havbølgje

Brytande bølgje.

Havbølgjer er overflatebølgjer som oppstår i det øvre vasslaget i havet eller sjøen. Dei oppstår som regel på grunn av vind eller geologiske effektar, og kan forplante seg tusenvis av kilometer før dei treffer land. Storleiken varierer frå små krusingar til enorme tsunamiar. Det er overraskande lite rørsle framover av sjølve vasspartiklane i ei bølgje, sjølv om bølgjene har store mengder energi og rørslemengd som kan føre dei framover.

Om vassflata er heilt blank, utan ei krusing, vert det kalla havblikk.

Korleis bølgjer oppstår

Ei stor havbølgje.

Dei fleste bølgjene ein kan observere på havet eller på ei strand kjem som følgje av vind, gjerne langt borte frå. Tre faktorar påverkar danninga av «vindbølgjer»:

• Vindstyrke
• Avstanden over ope vatn som vinden har blåse over, kalla fetsj.
• Geometrien i området der vinden genererer bølgjene.
• Kor lang tid vinden har blåse over eit visst område.

Storleiken og forma på havbølgjene vert avgjort av alle desse faktorane som virkar i lag. Jo større kvar av desse faktorane ver, jo større vert bølgjene. Bølgja vert målt ut frå:

• Høgda (frå bølgjedal til bølgjetopp)
• Lengd (frå bølgjetopp til neste bølgjetopp)
• Helling (anten vinkelen mellom bølgjedalen og bølgjetoppen, eller «hellingsforholdet» mellom bølgjehøgda og lengda)
• Periode (tida mellom to bølgjetoppar)

Det er derimot teoretiske grenser for kor store kvar av desse måla kan bli. Jo mindre fetsjen er, jo mindre kan dei største bølgjene bli for ein gjeven vindstyrke, uansett kor lenge vinden bles.

Både i teori og i røynda har ikkje alle bølgjene i same bølgjefelt den same høgda. Dei fell inn i eit systematisk mønster med varierande storleik. I vêrvarsel og for vitskaplege analysar av bølgjer, vert storleiken av dei uttrykt som «signifikant bølgjehøgd». Denne høgda er gjennomsnittet av den høgaste tredjedelen av bølgjene målt over ein tidsperiode (vanlegvis 10 minutt). Derfor kan enkelte bølgjer vere opp til dobbelt så høge som den signifikante bølgjehøgda, sjølv om dei sjeldan vert så store (kanskje ein til to gonger om dagen eller i løpet av eit uvêr).

Vindbølgjer

Det finst tre forskjellige former for vindbølgjer:

• Krusingar
• Vindbølgjer
• Dønning

Krusingar oppstår på stille vatn i lett vind, men forsvinn viss det vert vindstille. Vindbølgjer får ein når vinden har blåse ei stund med ein viss styrke. Desse varer lengre, sjølv etter at det vert vindstille. Dønningar er bølgjer som har flytta seg bort frå området dei oppstod i, og vert ikkje påverka av dei lokale forholda. Ein kan sjå på dønningar som vindbølgjer som varer ved lenge etter at vinden har slutta å danne dei.

Enkelte bølgjer kan «bryte». Ei brytande bølgje er ei bølgje der botn av bølgja ikkje lenger kan halde oppe toppen av ho, og ho kollapsar under si eiga vekt. Ei stor brytande bølgje kan utøve eit trykk på opp til 50 til 100 kilopascal, som kan vera nok til å knuse eit skipsskrog. Ei bølgje bryt når ho kjem innover grunt vatn eller når to bølgjesystem kjem mot kvarandre og slår seg saman. Når hellinga eller hellingsforholdet vert for stort, så vil bølgja bryte uansett. Ei bølgje med hellingsforholdet 1:24 har ei svak helling og kan vere lange og låge dønningar på djupt vatn. Hellingsforholdet 1:14 og brattare er bølgjer som er for bratte til at dei kan halde seg sjølv oppe. Bølgjene kan òg bryte om vinden vert sterk nok til å blåse bølgjetoppane av bølgjebasen.

Brytande bølgjer

Bølgjer kan transportere sediment frå strender, og utifrå det kan havbølgjer klassifiserast som anten oppbyggande eller nedbrytande:

• Oppbyggande bølgjer har ofte låg høgd (under 1 meter), og har derfor låg energi. Når dei nærmar seg stranda vil bølgja berre sakte verte brattare, og sakte renne over stranda. Bølgja mistar raskt volum og energi når vatnet siv gjennom stranda. Dette fører til ei tilbakestrøyming som er for svak til å dra med seg sediment frå stranda, eller i å hindre den neste bølgja i å vaske opp på stranda. Som følgje av dette vert strandpartiklane sakte, men sikkert, flytta oppover og innover stranda, noko som fører til ryggar (eller strandvollar).
• Nedbrytande bølgjer er høge bølgjer, som kastar seg framover med mykje energi. Når desse nærmar seg stranda vert dei raskt brattare, og når dei bryt styrtar dei ned og skyljer oppover stranda. Dette skapar ei kraftig tilbakestrauming, sidan mykje av energien ikkje vert broten ned når bølgja bryt. Den kraftige tilbakestrauminga hindrar den neste bølgja frå å kome inn. Få strandpartiklar vert førte oppover stranda, og tilbakestrauminga dreg dei med seg utover. Nedbrytande bølgjer fører som regel til brattare strender. Krafta til kvar bølgje kan enkelte gonger kaste grus godt innover stranda og lage store ryggar kjend som stormryggar.

Vitskapen om bølgjer

Rørsla til ein partikkel i ei havbølgje.
A=I djupt vatn.
B=I grunt vatn (havbotn er no B). Den sirkulære rørsla til partikkelen vert her meir og meir elliptisk med aukande djup.
1= Bølgjeretninga
2= Bølgjedal
3= Bølgjetopp

Havbølgjer er mekaniske bølgjer som forplantar seg i grenseflata mellom vatn og luft. Den tilbakeverkande krafta er gravitasjonen, og derfor vert desse bølgjene av og til kalla tyngdebølgjer. Når vind bles over ei vassflate fører trykk og friksjon til at det vert skapt ei forstyrring av likevekta til havoverflata. Desse kreftene overfører energi frå lufta til vatnet, og dannar bølgjer. Når ein har ei monokrom bølgje i eit lineært plan på djupt vatn, vil partiklane nær overflata følgje sirkulære banar, noko som gjer at havbølgjer er ein kombinasjon av longitudinalbølgjer (att og fram) og tverrbølgjer (opp og ned). Når bølgjer forplantar seg i grunt vatn (der djupet er mindre enn halvparten av bølgjelengda), så vil partiklane verte pressa saman i elliptiske banar. Når amplituden til bølgja (høgda) aukar følgjer ikkje lenger partiklane lukka banar, og etter kvar bølgjetopp har passert vil partiklane verte forskyve litt framover, eit fenomen kalla stokesdrift

Etter djupare ned i havet ein kjem, jo mindre vert radiusen til partiklane si sirkulære rørsle. Når djupet er om lag halvparten av bølgjelengda λ, vil sirkelrørsla vere om lag null. Bølgjefarten er tilnærma med

$c={\sqrt {{\frac {g\lambda }{2\pi }}\tanh \left({\frac {2\pi d}{\lambda }}\right)}}$

der

c = fasefart;

λ = bølgjelengd;

d = vassdjup;

g = tyngdeakslerasjon;

I djupt vatn er $d\geq {\frac {1}{2}}\lambda$, slik at ${\frac {2\pi d}{\lambda }}\geq \pi$ og hyperbeltangenten nærmar seg $1$, og $c$ vert tilnærma $1,25{\sqrt {\lambda }}$. Uttrykket fortel oss at bølgjer med forskjellig bølgjelengd flyttar seg med forskjellig fart. Dei raskaste bølgjene er dei med lengst bølgjelengd. Dette fører til at dei første bølgjene som når kysten etter eit uvêr til havs er dei lengste bølgjene.

Når ein har fleire bølgjetog samtidig, som ein alltid har på havet, så dannar bølgjene grupper. I djupt vatn flyttar desse gruppene seg med gruppefarten. Om ein følgjer ei enkel bølgje i ei gruppe kan ein sjå at bølgja oppstår i bakenden av gruppa, veks og til slutt forsvinn i fronten av gruppa.

Når vassdjupet $d$ minkar innover mot kysten, vil dette påverke farten til bølgjetoppane og bølgjedalane i bølgja. Bølgjetoppane flyttar seg raskare enn bølgjedalane, og dette fører til brottsjø, og bølgjene bryt.

Av og til kan ein få enkelte «monsterbølgjer» på havet, av og til så høge som 30 meter. Dette er ikkje tidvassbølgjer eller tsunamiar, og forskarar er enno ikkje sikre på korleis dei oppstår, sidan dei er opp mot, og kanskje over, det forskarane reknar som den teoretiske grensa for kor høge bølgjer kan bli.

Rørsla til havbølgjer kan fangast av bølgjekraftinnretningar. Energitettleiken (per areal) i ei vanleg sinusforma bølgje er avhengig av vasstettleiken $\rho$, tyngdeakslerasjonen $g$ og bølgjehøgda $h$ (som er lik det dobbelte av amplituden, $a$):

$E={\frac {1}{8}}\rho g{h}^{2}={\frac {1}{2}}\rho ga^{2}$

Farten som energien forplantar seg med er gruppefarten.

Havbølgjemålingar

Ein vanleg metode å måle bølgjer på er å bruke bøyer, som måler rørsla til vatnet i overflata. Rørsla vert bølgjeklimaet for det punktet og ein kan rekne ut statistikk som signifikant og maksimal bølgjehøgd og periodar. Tidlegare bøyer målte berre bølgjer frå ei retning, medan moderne bøyer kan måle rørsla i tre dimensjonar.

Ein billegare metode er å bruke ein bølgjestolpe. Ein observatør på land kan sjå på stolpen og sjå kor høgt på stolpen bølgjene går.

Skip har observert bølgjer i meir enn 130 år, og er ofte ei god datakjelde for kystmodellering.

Nyare metodar for bølgjemåling inkluderer satellittdata og radar.

I norske havområde er det lite bøyer, men mange plattformer i Nordsjøen og Norskehavet er utstyrt med Miros bølgjeradar, som måler bølgjedata kontinuerleg. Rundt Dei britiske øyane, særleg i sjølve Atlanterhavet, er der fleire bøyer.

Bølgjemodellar og bølgjeforhold i norske farvatn

Bølgjemodellar fungerer på same måte som atmosfæriske modellar, og er kopla saman med desse, sidan bølgjene er sterkt avhengig av vinden. Her til lands er både skip og plattformer interessert i å vite korleis bølgjene kjem til å bli dei neste dagane. Når bølgjene kjem over visse grenser, vert det meir avgrensa kva ein kan jobbe med på plattformene i Nordsjøen og Norskehavet. Når den signifikante bølgjehøgda kjem over 4,5–5 m er det ein del logistiske operasjonar som ikkje lenger kan utførast fordi båtane vugger for mykje. Ver den signifikante bølgjehøgda altfor høg kan ein risikere å måtte stenge ned heile plattforma. Ei slik nedstenging kan ta opp til 24 timar, og det kan ta minst like lang tid å få produksjonen opp igjen for fullt, så dette kan ofte vere særs dyrt. Gode og pålitelege bølgjeprognosar kan derfor vere svært viktig i slike samanhengar.

Dei høgaste bølgjene i norske farvatn ser ein som regel på Halten- og Sklinnabanken i Norskehavet ved kraftig vind som breier seg nordaustover frå Atlanterhavet mellom Skottland og Island. Ein kan då få signifikante bølgjehøgder opp mot 15–16 m, med maksimale bølgjer godt over 20 m. Stort potensial for særs høge bølgjer har ein òg i sørlege delar av Nordsjøen (som området nær Ekofisk). Med kraftig vind frå nord som varer ved kan ein få ein fetsj som går heilt frå Spitsbergen og heilt sør i Nordsjøen, og skape bølgjer med signifikant bølgjehøgd over 15 meter.

Galleri

• 
  Store havbølgjer kan skape problem for skipsfarten
• 
  Stormfullt hav
• 
  Monsterbølgje
• 
  Bølgjer bryt og får form når dei nærmar seg stranda
• 
  Havbølgjer kan nyttast for energiproduksjon
• 
• 
• 
• 

Kjelder

• Delar av denne artikkelen bygger på «Ocean surface wave» frå Wikipedia på engelsk, den 13. januar 2007.
  • Wikipedia på engelsk oppgav desse kjeldene:
    • Anatomy of a Wave Holben, Jay boatsafe.com captured 5/23/06
    • Carr, Michael «Understanding Waves» Sail Oct. 1998: 38-45.
    • Rousmaniere, John. The Annapolis Book of Seamanship, New York: Simon & Schuster 1989
    • National Weather Service

Bakgrunnsstoff

• Bølgje-Wiki Arkivert 2010-11-13 ved Wayback Machine.