Bij kleine golven speelt deoppervlaktespanning nog een rol.Ontstaan van golven
Oppervlaktegolven op zee worden vooral veroorzaakt door de wind, maar ookzeebevingen,vulkaanuitbarstingen en hetgetij veroorzaken golven. Bij windsnelheden onder de 2knopen over vlak water vormen zich vrijwel meteen golfjes die door deoppervlaktespanning net zo snel weer verdwijnen als de wind gaat liggen. Boven de 2 knopen vormen zich stabielere golven onder invloed van de zwaartekracht. Dezezeegang groeit naarmate de wind toeneemt (golfgroei). Deperiode hiervan ligt in een gebied tot ongeveer 10 seconden. Zodra de wind wegvalt, of zodra de golven buiten het windveld komen, wordt gesproken overdeining. Doordat langere golven zich sneller voortplanten dan korte (frequentiedispersie), zal op een punt buiten het windveld eerst een lange deining arriveren waarvan de periode op kan lopen tot zo'n 30 seconden, gevolgd door een kortere deining. Door wrijving en het uitwaaieren (richtingdispersie) verliest deze deining aan energie en hoogte. Doordat kortere golven er langer over doen om een bepaald punt te bereiken, is het energieverlies relatief groter, zodat uiteindelijk slechts de lange deining overblijft. De uitdoving hiervan is dusdanig langzaam dat deze deining voortduurt tot er een kust bereikt wordt.
Zeegolven kunnen worden beschreven als enkelvoudige harmonische langkammige lopende golven. Dit is een serie evenwijdige gladde golfruggen die met constante snelheid voortlopen loodrecht op de richting van de kammen en gelijk van hoogte zijn, op onderling gelijke afstand van elkaar, daarbij hun vorm behoudend.
In werkelijkheid benadert slechts de deining deze vorm en is zeegang opgebouwd uit vele verschillende enkelvoudige golven. De vorm van hiervan benadert die van een omgekeerdecycloïde, detrochoïde. Het hoogste deel van een golf is de golftop, het laagste het golfdal. De golfhoogte is de verticale afstand tussen top en dal. De toppen of kammen zijn smaller en lopen steiler dan de dalen, zodat het gemiddelde zeeniveau iets onder het punt ligt halverwege top en dal. De horizontale afstand tussen de kammen in de richting waar de golf heenloopt, is de golflengte. De tijdsduur waarmee twee kammen een stationair punt passeren, is de golfperiode. Golfhoogte, -lengte en -periode zijn afhankelijk van onder meer windsnelheid,windbaan of strijklengte en windduur.
Op zee komen kleinere en grotere golven voor. Als men met een boot vaart, komt men allerlei afmetingen van (oppervlakte)golven tegen. In de praktijk is gebleken dat de kleinste golven voor de scheepvaart, en voor veel ander gebruik van de zee, niet zo belangrijk zijn. Het belangrijkste signaal wordt geleverd door de grotere golven. Daarom wordt vrijwel altijd — in zowel metingen als verwachtingen — een waarde gegeven die bekendstaat als de 'significante golfhoogte' (Hs). Deze wordt bepaald aan de hand van een meetreeks van de golven (over bijvoorbeeld 10 minuten), bepaald met een meetboei of meetpaal. Van alle golven in de meetreeks wordt de golfhoogte bepaald. Deze golfhoogtes worden op groottegesorteerd, waarna het derde deel geselecteerd wordt met de grootste golfhoogtes. Van deze selectie van die grootste golven wordt hetrekenkundig gemiddelde bepaald. Dit wordt de significante golfhoogte genoemd, omdat deze redelijk overeenkomt met wat een ervaren zeeman op het oog als de golfhoogte schat. De significante golfhoogte wordt aangeduid alsHs. Als alternatief wordt ook vaak gebruikt de golfhoogte bepaald uit hetgolfspectrum van de meetreeks, deHm0
DeWereld Meteorologische Organisatie (WMO) maakte op 13 december 2016 bekend, dat met eenboei een (individuele) golf met een hoogte van 19 meter was waargenomen op de Atlantische Oceaan tussen Schotland en IJsland (ongeveer 59° N, 11° W) op 4 februari 2013. Dit was dus niet deHs of deHm0. Dit betekende een nieuw wereldrecord voor golfhoogte gemeten met een boei. Er was sprake van een sterk voorbijtrekkendkoufront en windsnelheden van 43,8knopen.[1][2]
Afgezien van de visuele schatting van de golfhoogte (vroeger heel gebruikelijk, maar zeer onbetrouwbaar) kan de golfhoogte lokaal op één meetpunt gemeten worden, of gemiddeld in een ruimtelijk gebied. Bij de eerste methode wordt een meetpaal, meetboei of eensonarapparaat gebruikt. Bij de tweede methode wordt over het algemeen vanremote sensing gebruik gemaakt (reflectie van bijv. radiogolven,radar). De eerste methode is zeer betrouwbaar en geeft gedetailleerde informatie over de lokale golf, maar is natuurlijk beperkt tot maar een punt. De tweede methode geeft een geaggregeerd beeld over een groter gebied, maar de geografische precisie is veel lager. In de periode van 1950-1980 is veel gebruik gemaakt van radar die op walstations geplaatst was, maar vanaf 1980 is er steeds meer gebruik gemaakt van metingen vanuit satellieten. Momenteel is het mogelijk om hiermee een werelddekking te krijgen. Inmiddels zijn er al voldoende jaren met satellietmetingen om ook studies naar het golfklimaat te doen op basis van deze informatie,
Voor het bepalen van het golfbeeld nabij de kust is in veel gevallen de resolutie van satellietmetingen niet voldoende. Daarom worden voor die plekken vooral puntmetingen gedaan. Over het algemeen worden dit soort waarnemingen metgolfmeetboeien of metpalen uitgevoerd.
Beweging van een vloeistofdeeltje onder het wateroppervlak van een golf. A =In diep water: de grootte van de cirkelvormige baan, waarin een vloeistofdeeltje beweegt, wordt snel kleiner op grotere dieptes onder het vloeistofoppervlak. B =In ondiep water ( de zeebodem ligt ter hoogte van letter B): deelliptische beweging van een vloeistofdeeltje wordt dichter bij de zeebodem steeds platter. 1 = Voortplantingsrichting van de golf. 2 = Golftop. 3 = Golfdal.
Terwijl de golf zich voortplant,oscilleren de waterdeeltjes vooral rond hun gemiddelde positie. In het algemeen zijn de snelheden van het water veel lager dan de voortplantingssnelheid van de golf: er wordt vooralenergie doorgegeven van waterdeeltje naar waterdeeltje, terwijl het gemiddeldemassa- enimpulstransport relatief klein is. Alleen in de top van een brekende golf, bijvoorbeeld op het strand, zijn de watersnelheden ongeveer gelijk aan de voortplantingssnelheid van de golf.
In diep water, als degolflengte kleiner is dan twee keer de waterdiepte, bewegen de waterdeeltjes in ongeveercirkelvormige banen. Onder de top van de golf hebben de waterdeeltjes hun grootste voorwaartse snelheid, in de richting waarin de golf zich beweegt. De diameter van de cirkelvormige baan van een waterdeeltje op het wateroppervlak is gelijk aan de golfhoogte. Op grotere diepte neemt de diameter van de cirkelbanen snel af — op een halve golflengte diepte onder het wateroppervlak is de diameter nog maar 4% van de waarde aan het wateroppervlak.
In ondiep water bewegen de waterdeeltjes in min-of-meerellipsvormige banen, met de horizontale as van de ellips groter dan de verticale as.
De voortplantingssnelheid van een golf hangt af van de golfperiode en van de waterdiepte. De voortplantingssnelheid van een golf in het algemeen is:
waarin de golflengte is en de waterdiepte. Deze formule is lastig op te lossen, omdat, waarin de golfperiode is. Deze vergelijking is alleen dooriteratie op te lossen.
Indien degolflengte veel groter is dan de waterdiepte is er sprake van een lange golf. Twee voorbeelden van lange golven zijn degetijgolf en detsunami. Maar ook in situaties van zeer ondiep water, bijvoorbeeld in debrandingszone, is vaak sprake van een (relatief) lange golf. Een lange golf zal zich voortplanten met een snelheid die gelijk is aan:
Als een golf naar het strand toe loopt, dan vermindert de waterdiepted en vermindert dus ook de loopsnelheidc. Het effect van de waterdiepte op de loopsnelheid van de top respectievelijk het dal van de golf wordt steeds groter; het dal van de golf krijgt een lagere snelheid dan de top waardoor de top van de golf uiteindelijk breekt en in het golfdal valt:branding.
Als degolflengte kleiner is dan de twee keer de waterdiepte is er sprake van een korte golf. Golven veroorzaakt door wind op zee zijn vaak korte golven. Devoortplantingssnelheid van een korte golf is alleen afhankelijk van degolflengteλ:
waarbij:
σ =oppervlaktespanning van de vloeistof [N/m], voor het grensvlak van schoon water en lucht isσ gelijk aan 72·10−3 N/m;
ρ =dichtheid van de vloeistof [kg/m3], voor zuiver zoet water 998 kg/m3; voor gemiddeld zeewater ongeveer 1024 kg/m3;
Voor heel korte golven (golflengte veel kleiner dan 2 cm bij een lucht–water grensvlak), overheerst deoppervlaktespanning en kan dezwaartekracht verwaarloosd worden:
Voor iets langere golven (golflengte veel groter dan 2 cm bij een lucht–water grensvlak), overheerst dezwaartekracht en kan deoppervlaktespanning verwaarloosd worden:
De energiedichtheid (per oppervlak) van een regelmatige sinusoïdale golf hangt af van de vloeistofdichtheid, de versnelling van de zwaartekracht en de golfhoogte. Die laatste is bij regelmatige golven gelijk aan tweemaal deamplitude:
De energie-inhoud is dus recht evenredig met het kwadraat van de amplitude. De snelheid waarmee de energie zich verplaatst is degroepssnelheid.[4]
Oppervlaktespanning is van invloed op golven met een kleinegolflengte. Bijvoorbeeld, voor golven op het grensvlak tussen water en lucht met golflengtes kleiner dan twaalfcentimeter, wordt de golfvoortplantingssnelheid meer dan één procent veranderd door de aanwezigheid van de oppervlaktespanning. Voor langere golflengtes kan de invloed van oppervlaktespanning op de golfvoortplanting verwaarloosd worden.
Golven op het wateroppervlak, onder invloed van de zwaartekracht, oppervlaktespanning en massatraagheid, verplaatsen zelf bijna geen watermassa: ze verplaatsen vooral de energie die met de verstoring gepaard gaat. Een voorbeeld van dit type golf is de kring die ontstaat wanneer een steen in het water wordt gegooid. Ook de meeste golven op zee zijn van dit type, doordat de wind verstoringen in het normaal gladde wateroppervlak aanbrengt. Zeegolven onder invloed van lokaal windveld worden windgolven of zeegang genoemd.
Als de golven eenmaal een bepaaldehoogte hebben gaan drukverschillen voor en achter de golftop, zoals gezien met de rug naar de wind toe, meetellen. Deluchtdruk is achter de golftop lager dan er voor, ten gevolge van dewet van Bernoulli. De luchtstroming kan door de kromming bij de golftop het wateroppervlak niet blijven volgen enlaat los. Deze gebeurtenis zorgt ervoor dat lucht met een lage luchtdruk — ongeveer dezelfde als bij het loslaatpunt van de stroming van het wateroppervlak — rond gaat draaien aan de benedenstroomse kant, achter de golftop. Er zo voor zorgend dat de golven met windenergie gevoed worden en tot grotere hoogte worden opgestuwd. Er zijn veelvogels die gebruikmaken van deze opwaartse luchtstroom bij de golftop. Dit proces is rechts in een animatie verduidelijkt.
Afvoergolven zijn golven die ontstaan door veranderingen in hetdebiet, zoals hoogwatergolven op een rivier.Alhoewel afvoergolven ook oppervlaktegolven zijn — ze gaan immers gepaard met een hoogwater — verplaatsen ze wél een grote massa water, in tegenstelling tot de bovenstaande oppervlaktegolven.
In afvoergolven is de voortplantingssnelheid van de gehele golf van dezelfdeorde van grootte als de stroomsnelheid. Terwijl bij andere oppervlaktegolven, zoals op zee en kringvormige golven ten gevolge van het gooien van een steen in het water, de golf aan het oppervlak zich veel sneller voortplant dan de stroomsnelheden in het water.Dit komt doordat bij deze afvoergolven er een grote invloed van dewrijvingskrachten in het water is — met name de bodemwrijving — die direct evenwicht maakt met de effecten van zwaartekracht via hetverhang van het wateroppervlak. De versnelling van het water kan verwaarloosd worden.
Groen, P, en Dorrestein, R.,Zeegolven, 3e herz. druk, Staatsdrukkerij, 's-Gravenhage, 1976, 124 pp.
(en) Dingemans, M.W.,Water wave propagation over uneven bottoms, Advanced Series on Ocean Engineering13, World Scientific, Singapore, 1997,ISBN 981-02-0427-2, 2 delen, 967 pp.
(en) Holthuijsen, L.H.,Waves in oceanic and coastal waters, Cambridge University Press, Cambridge, 2007,ISBN 0-521-86028-8, 387 pp.
(en) Phillips, O.M.,The dynamics of the upper ocean, 2e editie, Cambridge University Press, 1977,ISBN 0-521-29801-6
De sectiegolfhoogte of een eerdere versie ervan is (gedeeltelijk) afkomstig van de website van hetKNMI.
