Ciência das ondas

Como se formam as ondas

Por Eloi Melo em 22/06/07

Fuad Mansur desfruta da mágica que traz altas ondas a V-land, North Shore de Oahu, Hawaii. Foto: Bruno Lemos / Lemosimages.com.

As ondas que quebram numa praia são geradas pelo vento no oceano. Como é que o vento faz essa ?mágica? de produzir ondas na água ?


A superfície da água é, na verdade, a interface de separação entre dois fluidos de densidades bem diferentes: um líquido ? a água ? e um gás ? o ar. O problema a resolver é: dado um certo movimento (vento) no fluido superior (ar), o que vai acontecer no fluido de baixo (água) ? Trata-se de um problema clássico de Mecânica dos Fluidos.


De uma forma bastante simplificada, podemos imaginar que o vento atuando sobre a água vai ocasionar dois efeitos: (i) produzir ondas na superfície e (ii) ?empurrar? a água induzindo correntes. Vamos nos concentrar no primeiro efeito.


O vento é um escoamento bastante irregular do ar. Se fizermos medições precisas do vento próximo à superfície do mar verificaremos que a velocidade do ar a uma certa altura, digamos 10 m, da superfície não é constante mas apresenta variações rápidas e aleatórias em torno de um valor médio mais estável.

 

Escoamentos com essas características são chamados turbulentos em Mecânica dos Fluidos. O mesmo comportamento ocorre com a pressão do ar que apresenta pulsos variáveis sobre a superfície da água.
Vamos pensar sobre o que acontece quando o vento começa a soprar sobre um mar completamente sem ondas. O processo de geração de ondas na superfície da água ocorre em 2 estágios.

 

PRIMEIRO ESTÁGIO: Inicialmente, o movimento turbulento do ar começa a perturbar o equilíbrio da água pela ação dos pulsos de pressão sobre a superfície. Um pulso de pressão num determinado ponto força a água para baixo, porém se a superfície abaixa num ponto ela tem de subir em outro (pelo princípio da continuidade da massa) e a superfície começa a ?balançar?. O resultado é o aparecimento de ?marolinhas? na superfície da água, ou seja, ondinhas de pequena altura e comprimento curto. (Lembrando: o comprimento de uma onda é a distância entre duas cristas consecutivas e não tem nada a ver com a extensão que a crista da onda tem). Comprimentos curto implicam em períodos igualmente curtos uma vez que o comprimento e o período das ondas estão relacionados entre si. Assim, a medida que o vento continua a atuar sobre a água, tanto a altura quanto o período das ondas vão aumentando.


Dois aspectos importantes devem ser ressaltados nesse ponto:


(i) A energia das ondas é proporcional a sua altura (na verdade, ao quadrado da altura), assim, quanto maior a onda for, mais energia ela terá. Portanto, o crescimento da altura das ondas implica numa transferência de energia do ar para a água.


(ii) A velocidade de propagação das ondas no oceano profundo é proporcional ao seu período, portanto, o aumento do período enquanto o mar cresce implica num aumento de velocidade das ondas.

Ilustração do Primeiro Estágio de Geração

 

Nesse estágio inicial, as ondas existentes ainda são demasiamente pequenas (e lentas) para afetar significativamente o vento. Para todos os efeitos, o vento ?acha? que está apenas passando sobre uma superfície ?rugosa?. Entretanto, a partir de um certo momento, as ondas já começam a ficar grandes o suficiente para ?atrapalhar? o vento e aí tem início o segundo estágio da geração.

 

SEGUNDO ESTÁGIO: Nesse estágio as ondas já estão grandes o suficientes para afetar o vento, ou seja, agora o vento já não ?acha? mais que está passando apenas por uma superfície rugosa, agora ele encontra altos (cristas) e baixos (cavados) que perturbam bastante sua passagem. Por exemplo, se surgir uma crista mais alta no caminho, o vento vai ter de contorná-la para poder passar. É possível até que o escoamento de ar sobre essa crista cause um ?descolamento? do jato de ar produzindo um vórtice (redemoinho) na face da onda o qual vai causar uma diferença de pressão entre a parte traseira e dianteira da onda: é como se o vento agora tivesse de ?empurrar? a onda para poder passar !  Assim, nesse estágio de crescimento do mar, começa a haver um acoplamento entre o vento e as ondas resultando num grande aumento de eficiência do mecanismo de geração de ondas pelo vento e o mar começa a crescer bem mais rapidamente. Novamente, esse crescimento envolve os dois aspectos mencionados acima: crescimento tanto da altura quanto do período das ondas.

Ilustração do Segundo Estágio de Geração

 

Os conceitos acima, que são apenas uma parte da história, dão uma idéia da complexidade do processo de geração de ondas pelo vento. Na verdade, essa complexidade se traduz no aspecto ?bagunçado? que as ondas tem em alto mar durante uma tempestade onde se vêem ondas super irregulares, vindas de diferentes direções... ondas nada parecidas com as ondas ?perfeitas? que sonhamos e que desenhamos tantas vezes no caderno da escola.


Vamos pensar um pouco sobre quais devem ser os ingredientes necessários para que o vento produza um mar realmente grande.


Certamente a velocidade do vento é um fator importante pelo simples fato de que a quantidade de energia disponível na atmosfera é proporcional a intensidade da corrente de ar. Assim, o primeiro ingrediente para que o mar fique grande é que haja ventos ?fortes? sobre o oceano... mas não é só isso.


Devemos atentar para o fato de que o processo de transferência de energia do vento para o mar na forma de ondas vai demandar tempo e espaço. Em outras palavras, para que um certo vento seja capaz de gerar um mar realmente grande é necessário que o vento, além de ?forte?, atue sobre uma área de oceano grande o ?suficiente? e por um tempo longo o ?suficiente? para que ele consiga transferir sua energia para o mar. A área de oceano sobre a qual o vento atua é denominada pista. Logo, um vento forte atuando numa pista pequena não vai conseguir gerar ondas muito grandes.

Figura ilustrativa dos principais aspectos envolvidos na geração de ondas pelo vento

 

Qual seria a ordem de grandeza da velocidade, da pista e da duração do vento para que este consiga gerar ondas grandes ? Para termos uma idéia dos valores, no inicio de Junho de 2006 houve uma ressaca super intensa na costa brasileira (alguém lembra dela ?) resultado de uma grande ?tempestade? (na verdade, um ciclone extra-tropical) que passou sobre o Atlantico Sul. No ?coração? da tempestade, havia ventos de cerca de 100 km/h, a pista do vento foi superior a 1000 km e a tempestade ficou ?bombando? sobre o mar por quase 2 dias !  Esse evento ilustra bem a ordem de grandeza dos valores em questão. Veja o resultado de um estudo que fizemos sobre esse evento na figura abaixo.

 


A figura da esquerda mostra o vento sobre o Atlantico Sul causado pelo Ciclone Extra-Tropical que gerou a ondulação do início de Junho de 2006. A região em vermelho tem ventos na faixa de 100 km/h.


A figura da direita é o campo de Altura Significativa das ondas calculado pelo modelo de geração WW3 que funciona no LaHiMar. No centro da zona de geração a altura significativa chegou a 15 m !

 

Portanto, já temos três fatores básicos que influenciam a geração das ondas pelo vento: a velocidade, a pista e a duração do vento sobre o mar. Porém, o exemplo acima serve também para chamar a atenção para mais um item importante dessa equação. Normalmente, episódios de ventos fortes (?tempestades?) resultam da passagem de um centro de baixa pressão atmosférica ou, no jargão meteorológico um ?ciclone?, que pode ser interpretado como um grande redemoinho de ar. [OBS.: Os famosos furacões que assolam a região do Caribe, Cuba, Flórida, etc, são uma modalidade de ciclone chamado de tropical (por ter origem nos trópicos). Felizmente, não há ciclones tropicais no Atlantico Sul, mas os ciclones extra-tropicais - que tem origem em latitudes mais altas que os trópicos - são frequentes por aqui.].


Assim, se analisarmos o que acontece na atmosfera quando um ciclone desses está passando, vemos que a tempestade, ela própria, desloca-se com uma certa velocidade. Na verdade, há duas velocidades em jogo aqui: uma é a velocidade dos ventos em cima da água e a outra é a velocidade de deslocamento da tempestade, a qual vai determinar como a pista de vento vai se mover sobre o oceano.


Portanto, uma tempestade que se desloque rapidamente vai ter sua capacidade de geração de ondas prejudicada pois a pista vai estar se movendo muito rápido e as ondas que estavam sendo geradas vão sendo ?abandonadas? enquanto o vento vai gerar ondas em outro local.


Assim, o quarto ingrediente é a velocidade de deslocamento da tempestade. A situação mais drástica ocorre quando a tempestade se move lentamente ou até fica estacionária no meio do oceano. Nesse caso, teríamos a combinação fatal: um vento forte com direção mais ou menos fixa soprando durante um tempo longo numa pista grande que mantém aproximadamente sua posição.


Para finalizar, é importante ressaltar uma propriedade muito importante das ondas: uma vez geradas, as ondas criam vida própria e são capazes de ?viajar? ? ou, mais precisamente, se propagar - pelo oceano transportando a energia que o vento lhes passou. Imaginemos então a seguinte situação: uma tempestade se formou num local longínquo do oceano, gerou suas ondas e depois se esvaneceu (ou, simplesmente moveu-se para outro local). O que vai acontecer com as ondas formadas nessa tempestade ? Ora, elas vão fazer o que sempre fazem: vão se propagar pelo oceano transportando a energia que a tempestade transferiu para o mar!


Sob esse ponto de vista, é costume classificar as ondas do mar em dois grupos,  Vagas e Ondulações:


(i) Vaga (em inglês ?sea?, a mesma palavra usada para mar) é o termo usado para as ondas encontradas dentro da chamada Zona de Geração e que, portanto, estão sendo atuadas diretamente pelo vento e recebendo energia do mesmo.


(ii) Ondulação (em inglês ?swell?) é o nome dado para as ondas que já saíram da Zona de Geração e que estão simplesmente se propagando pelo oceano. [Na Marinha, costuma-se usar a palavra marulho em lugar de ondulação]


Essa idéia de classificar as ondas como vagas e ondulações permite introduzir um novo conceito nessa história:  a idade das ondas ! As vagas seriam ondas ?jovens?, que nasceram há pouco tempo, enquanto as ondulações seriam ondas mais ?velhas? que não tem mais relação com o vento e que podem estar viajando já há muitos dias, se o oceano for grande o suficiente para tal !


Na verdade, as ondas ?perfeitas? que povoam os sonhos dos surfistas, com aquelas cristas longas e séries bem formadas - como se tivessem sido feitas por uma máquina! - são ondulações ?velhas?, geradas por alguma tempestade longínqua e que cruzaram alguns milhares de km de oceano para chegar a praia e arrebentar.


Algumas questões precisam ser elucidadas...


- Por que ondulações longínquas são tão organizadas e as vagas tão bagunçadas ?


- Como a natureza consegue fazer essa ?mágica? de organizar as ondas a medida que elas viajam pelo oceano ?


Para responder a essas perguntas é necessário introduzir dois conceitos fundamentais das ondas do mar: a idéia do Espectro de Ondas e a propriedade da Dispersão .  Quem quiser aprender sobre isso deve ler a próxima seção .

 

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