Mag201709

Come prevedere l’altezza delle onde

(da Centro Meteo Italiano.it a cura del Dott. Giancarlo Modugno)

Il termine è utilizzato in oceanografia per studiare l’altezza delle onde in mare aperto. Esiste un modo per determinare quanto può diventare alta un’onda se sulla superficie marina spira per un determinato periodo di tempo lo stesso vento, soprattutto perché è quest’ultimo che determina l’evoluzione dello strato superficiale marino. Il Fetch non è altro che un’area della superficie marina più o meno estesa in cui il vento soffia con direzione costante o per lo meno sia quasi stazionario. Se esiste un’area del genere è possibile calcolare quanto puù essere alta e lunga un’onda marina.

Dal Fetch come si calcola l’altezza massima dell’onda?

Vi sono molte formule empiriche per poter fare ciò (Stevenson, Molitor, Irribarren, Sverdrup-Munk), le quali dipendono essenzialmente dalla velocità del vento e in sostanza più è forte il vento e più sarà alta l’onda a parità di fetch.
Tuttavia l’onda non può crescere all’infinito: esiste, difatti, un limite per cui l’energia può essere trasferita dall’atmosfera all’oceano e questi viene imposto dalla presenza dell’attrito e della gravità.
Giusto per usare qualche numero, con un fetch di 300 chilometri e un vento di 60 km/h possiamo ottenere onde di 4.5 m di altezza, mentre per ottenere la stessa altezza con 100 km di fetch bisognerebbe avere un vento di 80 km/h.

Differenza tra Oceano e Mare Mediterraneo

Abbiamo scritto che l’altezza delle onde dipende essenzialmente dal vento ma anche dal fetch.
Quali sono i bacini dove si registrano le onde più alte? Innanzitutto le onde vengono monitorate attraverso i sistemi satellitari e quindi si può effettuare una buona statistica.
A livello geografico i fetch “migliori” si ritrovano nell’emisfero boreale, dove la superficie marina è maggiore di quella terrestre e permette quindi in mare aperto onde molto lunghe e mediamente alte: si va da 1-2 m medi all’equatore fino a 10 m al Polo Sud in maniera molto graduale; nell’emisfero boreale, invece, solo sul Nord Atlantico e sul Nord Pacifico si raggiungono onde medie di 10 m, mentre nel Mediterraneo che è un mare chiuso la media è decisamente più bassa e si arriva a 1-2 m.

Calcolo dell’altezza dell’onda marina. Altezza in metri sulle ordinate, fetch in miglia mar ine sulle ascisse (Invitation to Oceanography di Paul R. Pinet)

 Le onde

(Invitation to Oceanography di Paul R. Pinet – Jones & Bartlett Publishers; 5° edizione)

Cosa si intende per ONDA? Le onde in prima approssimazione possono essere considerate delle oscillazioni sinusoidali, perlomeno quelle che si muovo in acque profonde. Sono descrivibili attraverso una lunghezza d’onda L, un’ altezza H e dal periodo T, come si vede nella figura sottostante:

Foto1

Fig. 1:

L = lunghezza d’onda, indica la distanza che intercorre tra due cresce o due cavi dell’onda; H = altezza, indica la distanza verticale tra il punto più basso del cavo e quello più alto della cresta; T = periodo, il tempo che intercorre tra il passaggio di due creste successive in un determinato punto fisso. Si misura in secondi

COME NASCE UN’ONDA

Quando il vento spira sull’acqua, trasferisce parte della sua energia cinetica all’acqua, che è 800 volte più densa dell’aria. Il vento solleva e mette in movimento le onde, attraverso meccanismi ancora poco chiari. E’ noto comunque che le dimensioni che le onde raggiungono dipendono dalla forza, dal tempo per il quale esso ha spirato e soprattutto dal FETCH, termine usato in oceanografia per indicare la superficie di acque aperte sul quale il vento può esercitare la propria forza.

LA ZONA DI FETCH

Come detto, il responsabile della formazione delle onde è il vento. L’area di mare soggetta all’azione del vento è detta area di Fecth, che è tanto più estesa quanto più è durevole l’azione del vento stesso. Le prime onde a formarsi sono quelle centimetriche, dette onde capillari, dalla caratteristica cresta arrotondata e da cavi a forma di V. Tale caratteristica si mantiene a causa delle attrazioni molecolari (tensione superficiale) che ancora prevale a causa delle modeste dimensioni delle onde stesse. Seguono le onde vive, spumeggianti che assumono tale caratteristica a causa dell’aumento dell’attrito all’interfaccia aria-acqua. Non tutte le onde riescono a lasciare la zona di origine, quelle con lunghezza d’onda più corte tendono ad estinguersi, le altre a maggior lunghezza d’onda riescono invece a propagarsi lontano dall’area originaria. Queste assumono la caratteristica di treni d’onda regolari che prendono il nome di onde morte o swell wave. La relazione tra l’altezza H delle onde e l’esensione dell’area di fetch è riportata nella figura sottostante:

Foto2

Fig. 2: relazione tra l’altezza delle onde H e area di fetch espressa in miglia nautiche. Kt indica le velocità prescelte del vento espresse in nodi

Tab 1: periodo T, lunghezza d’onda L e nome anglosassone di varie tipologie d’onda

Quindi le onde vive sono quelle generate localmente, le swell o onde morte derivano da zone di fecth più o meno distanti. Il modello semplificato per la descrizione di un onda fa riferimento come detto sopra, ad una semplice sinusoide, ed è possibile individuare la lunghezza d’onda L (sui testi è indicata però con il termine λ = lambda) cioè la distanza tra una cresta e l’altra o la distanza tra un ventre e l’altro, ed è possibile individuare l’altezza d’onda H, la distanza verticale che separa la cresta dal ventre. Sulla base delle definizione dei termini gia descritti, ossia L, H e T definiamo:

Ampiezza d’onda A = H/2
Periodo T = 1/f
Frequenza f = 1/T
Frequenza radiale ω = 2π / T
Numero d’onda radiale K = 2π /L
Velocità d’onda V = L/T che corrisponde a ω / K

Dopo lunghi tragitti le onde swell cominciano a decadere, il che comporta una diminuzione dell’altezza ed un aumento della lunghezza d’onda L, che si traduce osservando le formule sopra con un aumento della velocità V . Non discutiamo per ora cosa accade in prossimità della costa, quando l’onda comincia a risentire dell’attrito con il fondo e si scompone formando quello che viene detto cavallone. La dinamica di questo evento è complessa e verrà trattata successivamente.
Detto questo, ci limtiamo a dire che fuori dall’area di Fecth le onde continuano a propagarsi, anche in assenza del vento, facendo assomigliare il mare ad un campo ondulato. Queste onde, dette di mare morto o di mare lungo, possono anche sovrapporsi con altre onde provenienti da aree di fetch diverse, tendono così a sovrapporsi e a divenire più alte. Ma in genere la loro energia viene dissipata poiché le stesse onde con il passare dei giorni sono distribuite su un’area molto grande e quindi l’energia per unità di area scende, inoltre contribuiscono a questo anche la forza di gravità e l’attrito tra le molecole di acqua, ragion per cui l’altezza delle onde, nella maggioranza dei casi decresce con il passare dei giorni. L’altezza si riduce di circa 1/3 ogni volta che le onde percorrono una distanza in Km equivalente a 6 volte la lunghezza d’onda, per esempio un’onda alta 1,5 metri e di 25 metri in lunghezza d’onda, si riduce ad un’altezza di 1 metro dopo aver percorso 6 x 25 = 150 Km. Queste onde, da ultimo hanno dei profili molto regolari, a differenza dei profili delle onde vive all’interno dell’area di fecth. Nella figura 3 è riportato il profilo delle onde all’interno e all’esterno dell’area di fecth.

Foto3

Fig. 3: in evidenza, l’area di fetch e l’area di dispersione esterna, che evidenzia i cambiamenti di profilo delle onde. Da: Invitation to Oceanography di Paul R. Pinet. Modificato.

Le onde morte possono entrare in un’area di fetch e incrociarsi quindi con le onde vive generate all’interno della stessa area, per cui subentrano fenomeni di interferenza. Le onde possono annullarsi, sommarsi ecc… In tal caso si parla di mare incrociato, condizione che può verificarsi anche per altri motivi, per esempio sotto costa, dove subentrano anche fenomeni di riflessione che favoriscono la presenza contempranea di più tipologia di onde. Riassumendo, da quanto detto è ovvio che le onde più grandi si formano in aree di mare molto estese, quindi negli Oceani. In particolare gli oceani dell’emisfero sud sono la patria delle onde con valori di lunghezza d’onda molto alti, sino a 800 metri, mentre le zone del Pacifico e dell’ Atlantico settentrionale sono la patria delle onde più alte, grazie alla costante presenza di venti occidentali molto sostenuti.

LE ONDE PRECORRITRICI

E’ possibile osservando le onde di mare lungo, e facendo un percorso a ritroso, risalire all’area della loro formazione? L’evento meteorologico che le ha generate sarà sicuramente mutato, si sarà spostato oppure si sarà gia esaurito, poiché le onde di mare lungo spesso arrivano da aree distanti anche migliaia di Km. Eppure tra queste onde se ne nascondo altre, molto piccole, di lungo periodo e che viaggiano a gran velocità, anche oltre gli 8o Km/h. Sono le onde precorritrici o forerunners wave. A occhio nudo sono difficli da individuare, occorrono boe oceanografiche di rilevazione. Grazie alla strumentazione è quindi possibili risalire all’area della loro provenienza, individuando distanza e tempo impiegato per percorrerla. Ora individuare le zone di fecth attraverso l’analisi di queste onde ha perso di significato, satellitti e carte meteorologiche che mostrano la situazione in tempo reale permettono di avere risultati molto più precisi e affidabili. I surfisti tuttavia sono esperti nell’individuazione delle forerunners wave poiché è noto che precedono le grandi onde da cavalcare.

QUANDO L’ONDA ARRIVA SOTTO COSTA

Al passaggio di un’onda non vi è mai spostamento di massa d’acqua. Osserviamo un gabbiano adagiato sull’acqua, al passaggio dell’onda esso non si muove, anzi tende a risalire il cavo dell’onda, raggiunge la cresta e scende lungo il suo profilo fino a ritornare al punto di origine. Se potessimo congiungere tutti i punti toccati dal gabbiano, si ottiene un cerchio, esattamente come riportato in Fig. 1. Le orbite percorse dalle particelle d’acqua sono dunque circolari e chiuse. Tali orbite divengono via via ellittiche e più piccole con l’aumento della profondità, sino ad annularsi. Quando la profondità dell’acqua è minore della metà della lunghezzaa d’onda L, l’onda stessa risente molto dell’attrito con il fondo e comincia a incresparsi. L’onda da sinusoidale diviene cuspidata, da stabile quale era diviene instabile. Comincia a delinearsi il frangente. L’argomento relativo alle modificazioni delle onde sotto costa sarà trattato nella seconda parte di questo articolo.