موجة (تضخم)

الموجة المتصاعدة ، والتي تُعرف أحيانًا باسم الموجة الأرضية ، في سياق المحيطات والبحار والبحيرات ، هي سلسلة من الموجات الميكانيكية التي تنتشر على طول السطح الفاصل بين الماء والهواء تحت تأثير الجاذبية الأرضية ، ولذا تُسمى غالبًا بموجات الجاذبية السطحية . تنشأ هذه الموجات السطحية من موجات الرياح ، ولكنها ناتجة عن تشتت موجات الرياح من أنظمة جوية بعيدة ، حيث تهب الرياح لفترة زمنية محددة فوق مساحة من الماء، وتتحرك هذه الموجات من منطقة المصدر بسرعات تعتمد على دورة الموجة وطولها. وبشكل عام، تتكون الموجة المتصاعدة من موجات ناتجة عن الرياح لا تتأثر بشكل كبير بالرياح المحلية في ذلك الوقت. غالبًا ما يكون لموجات الموجة المتصاعدة طول موجي طويل نسبيًا ، لأن الموجات ذات الطول الموجي القصير تحمل طاقة أقل وتتلاشى بشكل أسرع، ولكن هذا يختلف باختلاف حجم وقوة ومدة النظام الجوي المسؤول عن الموجة المتصاعدة وحجم المسطح المائي، ويختلف من حدث لآخر، وحتى من الحدث نفسه، بمرور الوقت. في بعض الأحيان، تحدث أمواج يزيد طولها عن 700 متر نتيجة للعواصف الشديدة. 

اتجاه الموجة هو الاتجاه الذي تتحرك منه. يُحدد هذا الاتجاه جغرافيًا، إما بالدرجات أو بنقاط البوصلة ، مثل موجة شمالية شمالية غربية أو موجة جنوبية غربية. ومثل الرياح، فإن الاتجاه المُحدد هو عمومًا الاتجاه الذي تأتي منه الموجة. تتميز الموجات بنطاق ترددات واتجاهات أضيق من موجات الرياح المحلية، لأنها تتشتت من منطقة نشأتها، ومع مرور الوقت تميل إلى الترتيب حسب سرعة انتشارها، حيث تمر الموجات الأسرع بنقطة بعيدة أولًا. تتخذ الموجات شكلًا واتجاهًا أكثر تحديدًا، وهي أقل عشوائية من موجات الرياح المحلية.

قد تنتج الأمواج العاتية التي تُرى على الشاطئ عن أنظمة جوية بعيدة فوق المحيط. وتتضافر خمسة عوامل لتحديد حجم أمواج الرياح ^{[ 1 ]} التي ستتحول إلى أمواج محيطية:

• سرعة الرياح – يجب أن تتحرك الرياح بسرعة أكبر من قمة الموجة (في الاتجاه الذي تتحرك فيه قمة الموجة) لانتقال الطاقة الصافي من الهواء إلى الماء؛ فالرياح القوية والمستمرة تخلق أمواجًا أكبر.
• المسافة غير المتقطعة من المياه المفتوحة التي تهب عليها الرياح دون تغيير كبير في الاتجاه (تسمى مسافة الجلب ).
• عرض سطح الماء في منطقة الجلب
• مدة هبوب الرياح - الوقت الذي هبت فيه الرياح فوق منطقة الامتداد
• عمق المياه

يتم وصف الموجة باستخدام الأبعاد التالية:

• ارتفاع الموجة (من القاع إلى القمة )
• طول الموجة (من قمة إلى قمة)
• فترة الموجة (الفاصل الزمني بين وصول القمم المتتالية إلى نقطة ثابتة)
• اتجاه انتشار الموجات

طول الموجة هو دالة للدورة، وعمق الماء للأعماق الأقل من نصف طول الموجة تقريبًا، حيث تتأثر حركة الموجة بالاحتكاك مع القاع.

يبلغ حجم الموجة في البحر المتطور بالكامل أقصى حجم ممكن نظريًا لرياح ذات قوة ومسافة محددة. ويؤدي التعرض الإضافي لتلك الرياح المحددة إلى فقدان طاقة مساوية للطاقة المدخلة، مما يُعطي حالة استقرار، وذلك بسبب تبديد الطاقة الناتج عن اللزوجة وتكسر قمم الأمواج على شكل "رغوة بيضاء".

تتفاوت ارتفاعات الأمواج في منطقة معينة. ولأغراض رصد الأحوال الجوية والتحليل العلمي لإحصاءات أمواج الرياح، يُعبّر عن ارتفاعها المميز خلال فترة زمنية محددة عادةً باسم " الارتفاع الموجي الكبير" . يُمثل هذا الرقم متوسط ​​ارتفاع أعلى ثلث من الأمواج خلال فترة زمنية معينة (تُختار عادةً بين 20 دقيقة و12 ساعة)، أو في نظام أمواج أو عواصف محدد. كما يُعدّ الارتفاع الموجي الكبير القيمة التي يُقدّرها "مراقب مُدرّب" (كأحد أفراد طاقم السفينة) من خلال الملاحظة البصرية لحالة البحر. ونظرًا لتفاوت ارتفاع الأمواج، فمن المرجح أن يكون ارتفاع أكبر الأمواج الفردية أقل بقليل من ضعف الارتفاع الموجي الكبير. ^{[ 2 ]}

مصادر توليد أمواج الرياح

تتولد أمواج الرياح بفعل الرياح. كما يمكن لأنواع أخرى من الاضطرابات، كالزلازل ، أن تُسبب أمواج الجاذبية، لكنها ليست أمواج رياح، ولا تُؤدي عادةً إلى ارتفاع الأمواج. ويبدأ تولد أمواج الرياح باضطرابات مجال الرياح العرضية على سطح الماء.

بالنسبة للظروف الأولية لسطح مائي مسطح ( مقياس بوفورت 0) وتدفقات الرياح العرضية المفاجئة على سطح الماء، يمكن تفسير توليد موجات الرياح السطحية بآليتين، واللتان تبدآن بتقلبات الضغط الطبيعي للرياح المضطربة وتدفقات قص الرياح الموازية.

توليد الأمواج السطحية بفعل الرياح

انطلاقًا من مفهوم "تقلبات الرياح" : يبدأ تشكل موجات الرياح بتوزيع عشوائي للضغط العمودي المؤثر على الماء بفعل الرياح. وفقًا لهذه الآلية، التي اقترحها أوم فيليبس عام ١٩٥٧، يكون سطح الماء ساكنًا في البداية، ويبدأ توليد الموجة بتدفقات الرياح المضطربة، ثم بتقلبات الضغط العمودي للرياح المؤثرة على سطح الماء. نتيجةً لتقلبات الضغط هذه، تنشأ إجهادات عمودية ومماسية تُولّد سلوك الموجة على سطح الماء.

تتمثل افتراضات هذه الآلية فيما يلي:

• الماء في الأصل ساكن؛
• الماء غير لزج ؛
• الماء غير دوامي ؛
• يتوزع الضغط العمودي على سطح الماء الناتج عن الرياح المضطربة بشكل عشوائي؛ و
• تم إهمال الارتباطات بين حركات الهواء والماء. ^{[ 3 ]}

من "قوى قص الرياح" : في عام 1957، اقترح جون دبليو مايلز آلية لتوليد موجات سطحية تبدأ بتدفقات قص الرياح المضطربة،${\displaystyle Ua(y)}$استنادًا إلى معادلة أور-سومرفيلد غير اللزجة ، وجد أن انتقال الطاقة من الرياح إلى سطح الماء يتناسب مع سرعة الموجة.${\displaystyle c}$، يتناسب مع انحناء منحنى سرعة الرياح،${\displaystyle Ua''(y)}$، عند النقطة التي تتساوى فيها سرعة الرياح المتوسطة مع سرعة الموجة (${\displaystyle Ua=c}$، أين${\displaystyle Ua}$(متوسط ​​سرعة الرياح المضطربة). بما أن شكل الرياح،${\displaystyle Ua(y)}$، وهي لوغاريتمية بالنسبة لسطح الماء، الانحناء،${\displaystyle Ua''(y)}$، له إشارة سالبة عند النقطة${\displaystyle Ua=c}$تُظهر هذه العلاقة أن تدفق الرياح ينقل طاقته الحركية إلى سطح الماء عند نقطة التماس بينهما، ومن ثم تنشأ سرعة الموجة.${\displaystyle c}$يمكن تحديد معدل النمو من خلال انحناء الرياح (${\displaystyle (d^{2}Ua)/(dz^{2})}$) عند ارتفاع التوجيه (${\displaystyle Ua(z=z_{h})=c}$) لسرعة رياح معينة،${\displaystyle Ua}$.

الافتراضات التي تقوم عليها هذه الآلية هي:

• تدفق القص ثنائي الأبعاد والمتوازي،${\displaystyle Ua(y)}$.
• الماء/الرياح غير القابلة للانضغاط وغير اللزجة.
• الماء غير المتحرك.
• ميل طفيف لإزاحة السطح. ^{[ 4 ]}

عمومًا، تحدث آليات تكوين الأمواج هذه معًا على سطح المحيط، مما يؤدي إلى ظهور أمواج الرياح التي تتطور في النهاية إلى أمواج مكتملة النمو. ^{[ 5 ]} إذا افترضنا سطح بحر مسطحًا جدًا (رقم بوفورت، 0)، وهبت عليه فجأة تيارات هوائية مستمرة، فإن عملية توليد الأمواج الفيزيائية ستكون على النحو التالي:

1. تُشكّل تيارات الرياح المضطربة تقلبات عشوائية في الضغط على سطح البحر. وتنتج عن هذه التقلبات أمواج صغيرة بأطوال موجية لا تتجاوز بضعة سنتيمترات (آلية فيليبس). ^{[ 3 ]}
2. تستمر الرياح الجانبية في التأثير على سطح البحر المتذبذب في البداية. ثم تصبح الأمواج أكبر، ومع ازدياد حجمها، تزداد فروق الضغط، ويؤدي عدم استقرار القص الناتج إلى تسريع نمو الأمواج بشكل كبير (آلية مايلز). ^{[ 3 ]}
3. يُؤدي التفاعل بين الأمواج على السطح إلى توليد أمواج أطول (هاسلمان وآخرون، 1973) ^{[ 6 ]} ، وينقل هذا التفاعل الطاقة من الأمواج الأقصر الناتجة عن آلية مايلز إلى تلك التي لها ترددات أقل قليلاً من ترددات ذروة حجم الموجة. وفي النهاية، تصبح سرعة الموجة أعلى من سرعة الرياح الجانبية (بيرسون وموسكوفيتز). ^{[ 7 ]}

الشروط اللازمة لتشكل بحر متطور بالكامل عند سرعات رياح معينة، ومعايير الأمواج الناتجة
ظروف الرياح			حجم الموجة
سرعة الرياح في اتجاه واحد	أحضر	مدة الرياح	ارتفاع متوسط	متوسط ​​الطول الموجي	متوسط ​​الفترة والسرعة
19 كم/ساعة (12 ميل/ساعة؛ 10 عقدة)	19 كم (12 ميل)	ساعتان ​	0.27 متر (0.89 قدم)	8.5 متر (28 قدم)	3.0  ثانية، 2.8 متر/ثانية (9.3 قدم/ثانية)
37 كم/ساعة (23 ميل/ساعة؛ 20 عقدة)	139 كم (86 ميل)	10  ساعات	1.5 متر (4.9 قدم)	33.8 متر (111 قدم)	5.7  ثانية، 5.9 متر/ثانية (19.5 قدم/ثانية)
56 كم/ساعة (35 ميل/ساعة؛ 30 عقدة)	518 كم (322 ميل)	23  ساعة	4.1 متر (13 قدم)	76.5 متر (251 قدم)	8.6  ثانية، 8.9 متر/ثانية (29.2 قدم/ثانية)
74 كم/ساعة (46 ميل/ساعة؛ 40 عقدة)	1313 كم (816 ميل)	42  ساعة	8.5 متر (28 قدم)	136 متراً (446 قدماً)	11.4  ثانية، 11.9 متر/ثانية (39.1 قدم/ثانية)
92 كم/ساعة (57 ميل/ساعة؛ 50 عقدة)	2627 كم (1632 ميل)	69  ساعة	14.8 متر (49 قدم)	212.2 متر (696 قدم)	14.3  ثانية، 14.8 متر/ثانية (48.7 قدم/ثانية)

• (ملاحظة: تتناسب معظم سرعات الموجات المحسوبة من خلال قسمة الطول الموجي على الدورة مع الجذر التربيعي للطول. وبالتالي، باستثناء أقصر طول موجي، تتبع الموجات نظرية المياه العميقة الموضحة في القسم التالي.  يجب أن تكون الموجة التي يبلغ طولها 8.5 متر إما في مياه ضحلة أو بين المياه العميقة والضحلة.)

تنشأ أمواج المد الطويلة من أمواج الرياح الأقصر وتستمد طاقتها منها. وقد وصف هذه العملية لأول مرة كلاوس هاسلمان (الحائز على جائزة نوبل عام 2021) بعد دراسته للتأثيرات غير الخطية التي تبرز بشكل خاص قرب قمم أعلى الأمواج. وأظهر أنه من خلال هذه اللاخطية، يمكن لسلسلتين من الأمواج في المياه العميقة أن تتفاعلا لتوليد مجموعتين جديدتين من الأمواج، إحداهما ذات طول موجي أطول والأخرى ذات طول موجي أقصر.

تُستخدم المعادلة التي وضعها هاسلمان ^{[ 8 ] لوصف هذه العملية حاليًا في نماذج حالة البحر (مثل Wavewatch III [ 9 ]} ) التي تستخدمها جميع مراكز التنبؤ الجوي والمناخي الرئيسية. ويعود ذلك إلى أن كلًا من أمواج الرياح والانتفاخات البحرية لها تأثيرات كبيرة على انتقال الحرارة من المحيط إلى الغلاف الجوي. وهذا يؤثر على كل من الأنظمة المناخية واسعة النطاق، مثل ظاهرة النينيو ، والأنظمة الأصغر نطاقًا، مثل المنخفضات الجوية التي تتشكل بالقرب من حواف تيار الخليج .

يصعب تقديم وصف فيزيائي دقيق لعملية هاسلمان، لكن التأثيرات غير الخطية تكون في أقصى درجاتها قرب قمم أعلى الموجات، ويمكن استخدام الموجات القصيرة، التي غالبًا ما تنكسر قرب الموضع نفسه، كمثال توضيحي. ذلك لأن كل موجة صغيرة تنكسر تُعطي دفعة صغيرة للموجة الأطول التي تنكسر عليها. من وجهة نظر الموجة الطويلة، فإنها تتلقى دفعة صغيرة عند كل قمة من قممها، تمامًا كما لو أن أرجوحة تتلقى دفعة صغيرة في الوقت المناسب. كما لا يوجد تأثير مماثل في قاع الموجة - وهو مصطلح من شأنه أن يقلل من حجم الموجة الطويلة.

من وجهة نظر الفيزيائي، يُعدّ هذا التأثير ذا أهمية خاصة لأنه يُبيّن كيف يُمكن لحقل موجي عشوائي أن يُولّد نظامًا لسلسلة طويلة من أمواج المد والجزر، على حساب فقدان الطاقة وزيادة الاضطراب الذي يُؤثر على جميع الأمواج الصغيرة المتكسرة. ويُعدّ فرز أحجام حبيبات الرمل، الذي يُشاهد غالبًا على الشاطئ، ^{[ 10 ] [ 11 ]} عمليةً مُشابهة (كما هو الحال في كثير من أشكال الحياة ).

يكون تبديد طاقة الأمواج أقوى بكثير بالنسبة للأمواج القصيرة، ولهذا السبب تُعتبر الأمواج الناتجة عن العواصف البعيدة أمواجًا طويلة فقط. أما تبديد طاقة الأمواج ذات الفترات الزمنية التي تزيد عن 13 ثانية فهو ضعيف جدًا، ولكنه يظل كبيرًا على نطاق المحيط الهادئ. ^{[ 12 ]} تفقد هذه الأمواج الطويلة نصف طاقتها على مسافة تتراوح بين أكثر من 20,000 كيلومتر (نصف المسافة حول الكرة الأرضية) إلى ما يزيد قليلًا عن 2,000 كيلومتر. وقد وُجد أن هذا التباين دالة منتظمة لانحدار الموجة: أي نسبة ارتفاع الموجة إلى طولها الموجي. لا يزال سبب هذا السلوك غير واضح، ولكن من المحتمل أن يكون هذا التبديد ناتجًا عن الاحتكاك عند سطح التماس بين الهواء والبحر.  

غالبًا ما تتشكل الأمواج العاتية بفعل العواصف على بعد آلاف الأميال البحرية من الشواطئ التي تتكسر فيها، ويُحدّ انتشار أطول هذه الأمواج بشكل أساسي من خلال خطوط الساحل. على سبيل المثال، سُجّلت أمواج عاتية متولدة في المحيط الهندي في كاليفورنيا بعد أن قطعت مسافة تزيد عن نصف رحلة حول العالم. ^{[ 13 ]} تسمح هذه المسافة للأمواج المكونة للأمواج العاتية بأن تكون أكثر انتظامًا وخالية من التموجات أثناء انتقالها نحو الساحل. تتميز الأمواج المتولدة بفعل رياح العواصف بنفس السرعة، فتتجمع معًا وتتحرك في نفس الاتجاه، بينما تتأخر الأمواج الأخرى التي تتحرك بسرعة أقل ولو بجزء من المتر في الثانية، لتصل في النهاية بعد ساعات عديدة بسبب المسافة المقطوعة. يتناسب زمن الانتشار من المصدر (t) طرديًا مع المسافة (X) مقسومة على دورة الموجة (T) . في المياه العميقة، يكون${\displaystyle t=4\pi X/(gT)}$حيث g هي تسارع الجاذبية. بالنسبة لعاصفة تقع  على بعد 10000 كيلومتر، ستصل أمواج دورية مدتها T = 15 ثانية بعد 10 أيام من العاصفة، تليها أمواج دورية مدتها 14 ثانية بعد 17 ساعة أخرى، وهكذا.

يمكن استخدام وصول الأمواج المتفرقة، بدءًا من أطول فترة، مع انخفاض في فترة ذروة الموجة بمرور الوقت، لحساب المسافة التي تم عندها توليد الأمواج.

بينما يتميز طيف تردد حالة البحر أثناء العاصفة بشكل متقارب (أي ذروة واضحة المعالم بترددات سائدة ضمن نطاق ±7% من الذروة)، فإن أطياف الموجات المتولدة تضيق تدريجيًا، لتصل أحيانًا إلى 2% أو أقل، كلما ابتعدت الموجات. ونتيجة لذلك، قد تضم مجموعات الموجات (التي يسميها راكبو الأمواج "مجموعات") عددًا كبيرًا من الموجات. فبينما يبلغ عدد الموجات في المجموعة الواحدة حوالي سبع موجات أثناء العاصفة، يرتفع هذا العدد إلى 20 موجة أو أكثر في الموجات المتولدة من عواصف بعيدة جدًا.

كما هو الحال مع جميع أمواج الماء، يتناسب تدفق الطاقة طرديًا مع مربع ارتفاع الموجة الكبير مضروبًا في سرعة المجموعة . في المياه العميقة، تتناسب سرعة المجموعة طرديًا مع دورة الموجة. لذا، يمكن للأمواج ذات الدورات الأطول نقل طاقة أكبر من أمواج الرياح الأقصر. كذلك، يزداد اتساع موجات الجاذبية المنخفضة بشكل كبير مع دورة الموجة (تقريبًا مربع الدورة)، مما ينتج عنه ارتفاع أكبر للموجة عند اندفاعها للأمام .

نظراً لأن أمواج المد والجزر عادة ما يكون لها أطوال موجية طويلة (وبالتالي قاعدة موجية أعمق)، فإنها تبدأ عملية الانكسار (انظر أمواج الماء ) على مسافات أكبر من الشاطئ (في المياه الأعمق) مقارنة بالأمواج المتولدة محلياً. ^{[ 14 ]}

بما أن الأمواج المتولدة عن ارتفاعات الأمواج تختلط بأمواج البحر العادية، فقد يصعب رصدها بالعين المجردة (خاصةً بعيدًا عن الشاطئ) إذا لم تكن أكبر بكثير من الأمواج العادية. من وجهة نظر تحليل الإشارات ، يمكن اعتبار ارتفاعات الأمواج إشارة موجية منتظمة نسبيًا (وإن لم تكن مستمرة) موجودة وسط ضوضاء قوية (أي الأمواج العادية والتموجات ) .

استخدم الملاحون الميكرونيزيون الأمواج للحفاظ على مسارهم عندما لا تتوفر أي أدلة أخرى، كما هو الحال في الليالي الضبابية. ^{[ 15 ]}

• ركوب الأمواج

• "توقعات الأمواج/الموجات العالمية" . Surfline .
• توقعات ارتفاع الأمواج في أستراليا . كوستال ووتش .
• "توقعات ارتفاع الأمواج في المملكة المتحدة" . ماجيك سي ويد .
• توقعات ارتفاع الأمواج في أستراليا . سيبريز .
• توقعات ارتفاع الأمواج في أستراليا . Swellnet .
• "أساسيات الأمواج (كيف تتشكل الأمواج وتقاس)" . ستورم سيرف .
• "أجهزة قياس الأمواج الأسترالية" . عوامات قياس الأمواج . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 10-12-2006.