باد و موجها

در قرن بیستم محققان به ارائه نظریات جسورانه‌ای پرداختند و به این ترتیب بسیاری از پیچیدگیهای امواج طبیعی به غالب معادله در آمد. اما پاسخ این معادلات به این پرسش که انرژی باد چگونه به امواج منتقل می‌شود بسیار خام و تجربی بود. ضرورت پیش گویی وضعیت موجها و شار موج‌ها برای عملیات زمینی – دریایی در جنگ جهانی دوم توجه هارالد سوِردراپ و والتر مونک (از پژوهشگران مؤسسه اقیانوس شناسی اسکریپس) را به خود جلب کرد. آنها با بررسیهایی که در حین جنگ دوم در زمینه بر هم کنش باد و امواج انجام دادند برای نخشتین بار توصیف کمّی کامل و معقولی از چگونگی رسیدن انرژی باد به امواج ارائه گردند. به نظر می‌رسید که به کمک این توصیف مطالعه و بررسی امواج به دوران بلوغ خود رسیده و قلمرو پژوهشی جدیدی گشوده شده است.
اکنون امواجی را که باد در دریا پدید می‌آورد دنبال می‌کنیم؛ این امواج شاید هزاران کیلومتر پهنه دریا را می‌پیمایند تا سرانجام در برخورد با ساحل در هم بشکنند. کارایی باد در ایجاد امواج ناشی از سه عامل است: سرعت (میانگین) باد، مدت زمان وزش، و وسعت آبی که در برابر این وزش قرار می‌گیرد.
وقتی نسیمی بر دریای آرام بوزد از اصطکاک آن با آب موجکهایی پدید می‌آید. با ادامه وزش باد، در سمت عمودی هر موجک سطحی به وجود می‌آید که هوای متحرک می‌تواند مستقیماً بر آن فشار وارد کند. از آن جا که بادها به خودی خود متطلاطم هستند ابتدا موجکهایی با اندازه‌های مختلف پدید می‌آیند. موجکهای کوچک و عمود می‌شکنند و موجهایی کف آلود تشکیل می‌دهند و مقداری از انرژی خود را به صورت تلاطم آزاد می‌کنند و احتمالاً بخشی از آن را به امواج بزرگتری که از آنها سبقت می‌گیرند می‌دهند. بدین سان همچنان که انرژی حاصل از باد بیشتر می‌شود امواج کوچک پیوسته به امواج بزرگتر که می‌توانند انرژی را بهتر ذخیره کنند تبدیل می‌شوند. اما امواج کوچک هم مرتباً به تعداد بیشتری تشکیل می‌شوند و در منطقه‌ای که باد سریعتر از امواج حرکت می‌کند طیف وسیعی از طول موجها به وجود می‌آید. این جا ناحیه تولد است که وسعت آن در اثنای یک توفان عظیم می‌تواند هزاران کیلومتر باشد. اگر نیرویی که از بادهای شدید به این امواج می‌رسد بیش از تحمل آنها باشد ستیغ موج تیز می‌شود و باد آن را فرو می‌ریزد، یعنی یک شکسته موج در دریا تشکیل می‌شود. این اتفاق وقتی می‌افتد که ستیغ موج به شکل گوه‌ای کمتر از صد و بیست درجه در بیاید و ارتفاع موج در حدود یک هفتم طول موج باشد. بنا بر این از دو موجی که باد یکسانی بر آنها می‌وزد آن که طول موجش بیشتر است می‌تواند انرژی بیشتری را از باد بگیرد و به مراتب بالاتر برود. وقتی باد امواجی با طولهای مختلف تولید می‌کند امواج کوتاهتر به سرعت به بیشینه ارتفاع خود می‌رسند و آنگاه فرو می‌ریزند، در حالی که امواج طویلتر به بزرگتر شدن ادامه می‌دهند.
هر قطار موج منظم و ساده را می‌توان با دوره تناوبش (زمان لازم برای عبور دو ستیغ پی در پی از یک نقطه)، با طول موجش (فاصله میان ستیغها)، و با ارتفاعش (فاصله عمودی بین یک فرو رفتگی و ستیغ جلویی آن) توصیف کرد. با این همه، معمولاً چندین قطار موج با طول موجها و راستاهای مختلف، هم زمان وجود دارند و تقاطع آنها نقش کاتوره‌ای الماس مانندی با ستیغ کوتاه ایجاد می‌کند. در این شرایط نمی‌توان هیچ ابعاد معنی داری به دوره تناوب و طول موج نسبت داد. اما ارتفاع موج دست کم برای کشتیها مهم است؛ ممکن است چندین ستیغ بر هم منطبق و ارتفاعشان با هم جمع شود و موج بسیار بزرگی را ایجاد کنند، اما خوشتختانه احتمال خیلی بیشتری هست که ستیغها و فرو رفتگیها بر هم بیفتند و هم دیگر را خنثی کنند. هیچ دلیلی بر این باور وجود ندارد که مثلاً موج هفتم، یا موجی با هر شماره اختیاری دیگر، نسبت به بقیه بلندتر باشد؛ این نوع خرافات از افسانه‌های دریایی ناشی می‌شوند.
از آن جا که امواج دریا فوق العاده متنوع هستند باید برای تحلیل و توضیح آنها از روشهای آماری استفاده کرد. مثلاً یک روش ساده برای توصیف ارتفاع این است که از یک ارتفاع با معنی صحبت کنیم؛ یعنی مثلاً میانگین ارتفاع آن یک سومی از امواج را که از بقیه مرتفع‌تر هستند در نظر بگیریم. رو.ش دیگر، که آن را ویلیام پیرسون از دانشگاه نیویورک ابداع کرد بهره گیری از معادلاتی است نظیر آنهایی که نوفه کاتوره‌ای را در نظریه اطلاعات توصیف می‌کنند. برای پیش بینی رفتار امواج اقیانوس، پیرسون قطار موجهای منظم متعلق به نظریه کلاسیکی را چنان بر هم می‌نهد که به یک نقش نامنظم دست پیدا کند. نتیجه کار را می‌توان خیلی راحت بر حسب طیفهای انرژی توصیف کرد. در این طرح برای هر موج با بسامد و راستای خاص عددی به مجذور ارتفاع موج نسبت داده می‌شود. آنگاه با تعیین کردن آن بخشی از طیف انرژی که بیشترین انرژی در آن جا متمرکز است می‌توان میانگین دوره‌ها و طول موجها را برای استفاده در پیش بینی موج به دست آورد.
در گستره‌های وسیع دریایی، چنانچه باد شدید و پیوسته‌ای بوزد، امواج بلندتر فراوانتر هستند. بزرگترین امواج ناشی از باد در همین نواحی ثبت شده‌اند. اما ارتفاع امواج در یک قطار با دو مشخصه دیگرشان (دوره تناوب و طول موج) رابطه ساده‌ای ندارد. قاعده سرانگشتی دریا نوردان ارتفاع موج را به سرعت باد ارتباط می‌دهد، و طبق این قاعده معمولاً ارتفاع موج از نصف سرعت باد بیشتر نمی‌شود، به این معنی که از یک گرد باد دریایی به سرعت هشتاد مایل (یکصد و سی کیلومتر) بر ساعت موجهایی به ارتفاع تقریبی چهل فوت (دوازده متر) پدید می‌آید.