Golvend water door wind

Het oppervlak van water is onstabiel, en wanneer er geen invloeden zijn zoals bewegende voorwerpen in het water zoals een varend schip of een afbrekende ijsschots of een wind of een stroming zal door de aantrekkingskracht van de aarde het wateroppervlak zich gelijkmatig of zelfs spiegelglad ophouden. Maar het wateroppervlak is onstabiel, wanneer er beroering komt zal het wateroppervlak gaan golven en deinzen.

Wanneer er wind over het wateroppervlak waait ontstaan er rimpels. De wind oefent een kracht uit op bovenste laag van de watermassa, een waterlaagje wordt over het andere waterlaag bewogen en de eerste golfjes ontstaan. De wind die een golf heeft doen ontstaan wordt door diezelfde de golf afgebogen, die afbuiging doet voor de golf een overdruk ontstaan en achter de golf juist een onderdruk door dei langsstromende wind. De opgezweepte golfjes worden daarbij door de zwaartekracht ofwel aantrekkingskracht van de aarde weer naar beneden getrokken, terwijl de langsstromende wind weer een toenemende golf doet ontstaan. Hoe langduriger en hoe krachtiger de wind en hoe dieper en hoe wijder het water, hoe sterker de opbouw van golven.

Schaal van Beaufort

Schaal van Beaufort met de kenmerken van de zee. De windsnelheid in Zeemijlen / Nautische mijlen per uur

Golfpatroon

Golfhoogte
Onder de golfhoogte H in een golfpatroon verstaan we de verticale afstand in meters tussen de top van de golf en de dieptepunt van het golfdal. De top van een golf steekt boven het niveau van het in rust zijnde wateroppervlak uit, het golfdal ligt onder dit horizontale vlak.

Golflengte
Onder de golflengte L van een golf verstaan we de horizontale afstand In meters van golftop tot de eerstvolgende golftop.

Golfperiode
Onder de golfperiode T verstaan we de tijd die verstrijkt tussen de passage van twee opeenvolgende golftoppen gemeten op een vastgesteld punt.

Golffrequentie
Onder de golffrequentie f verstaan we het aantal passages van golftoppen geteld op een vastgesteld punt in een bepaalde tijd.

Voortplantingssnelheid of fasesnelheid
Onder de voortplantingssnelheid C of fasesnelheid verstaan we de snelheid waarmee een golfpatroon zich verplaatst.

Golfsteilheid
Onder de golfsteilheid verstaan we de hellingshoek van een golf.

Onder het golfpatroon verstaan we de combinatie van bovenstaande parameters, waarin ook de steilheid of helling van de golven aan zowel de loefzijde als de lijzijde van de golftoppen van belang zijn, evenals de vorm van de golftoppen die afgevlakt, scherp, omkrullend of brekend kunnen zijn.

We gaan er van uit dat de toppen van golven gaan breken wanneer er een verhouding ontstaat bij een golfhoogte tot golflengte ontstaan van 1:7 ofwel, wanneer de golfhoogte één meter bedraagt en de golflengte bedraagt zeven meter, dan zijn er de omstandigheden waarop golftoppen breken ofwel bruisend uiteenvallen of omkrullen. Een andere benadering is dat golftoppen breken wanneer de hoek van de bovenwindse – en benedenwindse helling 120 booggraden bereikt. Denkbaar is dat brekende golven zich al voor kunnen doen bij een golfhoogte / golflengte verhouding van één op zes.

Verschillende parameters bij golvend water

Significante golfhoogte en – golfperiode

Golven zijn per definitie in beweging en geen golf is gelijk aan de andere. Vandaar dat gegevens van golfbewegingen altijd opgemaakt dienen te worden uit gemiddelde parameters. De significante golfhoogte Hs volgt daarom uit een reeks hoogtemetingen in een bepaalde tijd. Van die metingen wordt het aantal van 1/3 van de hoogst gemeten golftoppen geselecteerd. De significante golfhoogte is de gemiddelde golfhoogte van de geselecteerde hoogste golven. De significante golfperiode Ts wordt op vergelijkbare wijze bepaald.

De onderstaande grafiek laat een verband zien tussen de windsnelheid, de tijdsduur dat er een bepaalde windsnelheid aanhoud en de significante golfhoogte op open zee die daarvan het resultaat is. Stel er staat gedurende een etmaal ofwel 24 uur een aanhoudende wind van 6 Beaufort. Dat wil zeggen een wind van 22 tot 27 Knopen te omschrijven als een stijve bries of krachtige wind. Volgen we de kromme van 25 Knopen wind naar links tot de verticale lijn van 24 uur, dan vinden we aan de linkerzijde van de grafiek een significante golfhoogte van 3,5 meter. Dat wil dus niet zeggen dat iedere golf 3,5 meter bedraagt, tweederde van de golven zullen lager zijn dan de 3,5 meter. Maar tegelijk moeten we er rekening mee houden dat de er de  uitschieters naar boven zijn, waarvan enkele weer hoger dan aangeduide 3,5 meter.

Golfhoogte in open zee en diep water in relatie tot windsnelheid en tijdsduur

Golfpatroon in een windveld

Golven zijn niet alleen daar waar zich de veroorzakende wind zich bevind, maar golven verplaatsen zich ook over het water voor een gebied waar de veroorzakende wind staat. En golven verplaatsen zich ook over het water voort terwijl de veroorzakende wind of storm al afgezwakt kan zijn. Golven veroorzaakt door wind verplaatsen zich vergelijkbaar met de rimpelingen in het water als gevolg van een in het water gevallen voorwerp. Daar waar de golven zijn ontstaan is de golfhoogte H hoger, om gaandeweg steeds lager te worden. Bij het ontstaan zijn de golven ook steiler met een kortere golflengte L, zich gaandeweg verlengend tot een deining. De golfperiode T neemt gaandeweg van de veroorzakende wind toe, er verstrijkt meer tijd tussen de opeenvolgende golftoppen, de golffrequentie f neemt af, gedurende een bepaalde tijd passeren er minder golftoppen.

De zee ‘lezen’

Een depressie (diep lagedrukgebied) veroorzaakt sterke wind of storm. Een aankomende passage van een front gaat gepaard met toenemende en van richting veranderende wind, van de zee af te ‘lezen’. Vaak is de toenemende wind al te merken, maar ook de toenemende deining of swell. De wind en de golven zwellen aan, tekenen dat er tientallen of honderden Zeemijlen ver weg verwijderd zich een windveld heeft ontwikkeld.

Een depressie met warm- en koudefront
Een uitgestrekt windveld met de deining vooruit

Winddrift of driftstroom

Waterdeeltjes in golvend water bewegen zich niet alleen horizontaal onder invloed van de wind, maar maken ook een verticale beweging met de golven en dalen meebewegend, en wel in verschillende snelheden: een waterdeeltje zich bevindend in een golftop beweegt zich sneller voorwaarts met de wind mee dan een waterdeeltje in een golfdal, een waterdeeltje kan zelfs een moment tegengesteld aan de windrichting bewegen om daarna in een veelvoud te versnellen met de windrichting mee. Onderzoek naar de beweging van waterdeeltjes heeft uitgewezen dat de opgestuwde ‘waterbergjes’ weer inzakken om vervolgens een bij benadering cirkelvormige baan gaan beschrijven in het verticale vlak. Hoe dieper onder water, hoe kleiner de cirkelvormige bewegingen. Met als resultaat een waterverplaatsing waar te nemen als een driftstroom veroorzaakt door de wind.

Wanneer de wind over het water strijkt worden de waterdeeltjes aan het wateroppervlak meegenomen, met de wind mee. Zowel in theorie als in de praktijk ontstaat er een dal achter de weggeblazen waterdeeltjes. Tevens worden de weggeblazen waterdeeltjes over de voorliggend waterdeeltjes opgestuwd. De bij benadering cirkelvormige bewegingen in het verticale vlak planten zich op diep water voort tot een diepte van een halve golflengte. Op een diepte van een halve golflengte is de driftstroom of winddrift nihil.

Winddrift of driftstroom, watermassa’s in beweging door de wind

Branding

Tot een halve golflengte diep bewegen golven de bovenlaag van het water. Bij kabbelende golfjes met een golflengte van 30 centimeter gaat het dus om 15 centimeter, maar een bij zeegang met golven van 5 meter komen we uit op een gemiddelde van 2,5 meter. Branding aan de kust ontstaat dan ook voornamelijk door de wind en minder door de getijden van eb en vloed, al kunnen deze de branding wel versterken of afzwakken. Bij een aanlandige wind wordt de watermassa naar de kust gestuwd. De onderlaag van de driftstroom loopt bij een afnemende waterdiepte tegen de zeebodem aan, de cirkelvormige beweging van de watermassa wordt afgebogen, opgestuwd en aan de onderkant afgeremd. De golflengte neemt af, de golfhoogte toe, de golftoppen volgen elkaar sneller op, breken en krullen om, resulterend in een bruisende branding.

Golven op volle zee en branding op de kust

Grondzee

Grondzeeën zijn oplopende golven op zee die als gevolg van een afnemende waterdiepte hoger en steiler worden. Ditzelfde doet zich voor aan de kustlijn met strand waar de golven een bruisende branding worden. De onderkant van de watermassa die de golf vormt wordt door de grond afgeremd in snelheid, de watermassa aan de onderzijde van de golf wordt door de zeebodem opgestuwd, terwijl aan de oppervlakte de vrije golftop snelheid houdt en doorloopt. De golfhoogten kunnen oplopen maar vooral: de golven volgen elkaar korter op elkaar op, en halen elkaar in, waarbij de golftoppen over hun eigen golfvoet struikelen en breken. Zo ontstaat de branding langs de kust. Grondzeeën vinden plaats wanneer in open water wanneer de zeegolven over een ondieper zeegedeelte heen gaan, waarbij grondzeeën, de naam zegt het ook, verzadigd zijn van zand van de zeebodem, daarmee massiever en zwaarder dan een gewone golf en extra gevaarlijk. Het verraderlijke is dat grondzeeën onverwacht opduiken en niet alleen aan de loefzijde, de bovenwindse zijde van een ondiepte plaats kunnen vinden, maar ook aan de lijzijde, aan de benedenwindse zijde van een ondiepte. De zeegolven die om een ondiepte heen zijn gegaan komen weer samen aan de lijzijde, en kunnen ook daar onvoorspelbare golfbewegingen veroorzaken en uitlopen tot een grondzee. De zeegaten tussen de Nederlandse- en Duitse Waddeneilanden zijn berucht. Maar de zandbanken voor de Nederlandse kust kunnen dergelijke golven veroorzaken. Bij een sterke aanlandige wind is het raadzaam om op diep water te blijven waar de golven regelmatiger zijn.

Winddrift rond een eiland of langs een ondiepte

Kruiszeeën

Kruiszeeën zijn golven waarbij, het woord zegt het al, de golfpatronen elkaar kruislings of diagonaal ontmoeten. Zoals hierboven beschreven kunnen kruiszeeën zich voordoen aan de lijzijde van een eiland of een ondiepte. Maar kruiszeeën komen ook voor bij een zich in korte tijd veranderen van windrichting, wanneer de wind diagonaal op al aanwezige deining komt te staan, of wanneer gedurende een lange periode een stevige wind heeft gestaan verspreid over een groot windveld, waarbij de wind dan ‘met een knik’ ruimt, zoals bij de depressie in een afbeelding hieronder bij een frontpassage. Ook een diepe depressie kan kruiszeeën doen ontstaan, bij de passage van een warmtefront of  een koudefront. De pijlen I en  II geven de golven opwekkende windrichtingen aan. Een piekerige en chaotische zee kan dan het gevolg zijn, wanneer golven vanuit verschillende richtingen elkaar raken en versterken.

Passage van een warmtefront en een koudefront gepaard gaande met ruimende wind

Samengestelde golven

Wat hierboven beschreven is over ‘kruiszeeën’ en over golven veroorzaakt door een windveld maakt duidelijk dat golvend water zelden volgens een regelmatig patroon verloopt. Golvend water beweegt chaotisch en onregelmatig als resultaat van verschillende golflengten, golfhoogten, golfsteilheden, golfperiode en voortplantingssnelheden. Wanneer de ene golf door de andere golf wordt ingehaald, vanwege een andere voortplantingssnelheid, zoals wanneer golven een gebied van deinend water inloopt, dan ontstaat er een ‘opeenstapeling’ van watermassa’s met een momentele golfopbouw, een hogere golf tussen de andere golven. Zoals ook bij kruiszeeën deze samenvoeging van watermassa’s zich voordoet, ontstaan bij veranderingen van windrichting of het ombuigen van een driftstroom.

Samengestelde golven schematisch weergegeven

Hierboven een schematische voorstelling van samengestelde golven. De bovenste golvende lijn stelt een golfpatroon met een langere golflengte dan de onderste golvende lijn, een golfpatroon met een kortere golflengte. Wanneer deze twee golfpatronen door elkaar heen gaan lopen ontstaan er de volgende situaties in het golvende water. Bij momenten als 1 vallen er twee golftoppen samen, de bij elkaar opgetelde watermassa’s veroorzaken een hogere golftop. Bij momenten als 2 is er sprake van een golfdal in het onderste golfpatroon, terwijl het bovenste golfpatroon nog een golftop laat zien. Het golfdal van de ene golf zal een steile wand veroorzaken bij de andere golf. Bij 3 zal het golfdal van de ene golf opgevuld worden door de golftop van het andere golfpatroon. Bij 4 zal het golfdal van het ene golfpatroon het golfdal van het andere golfpatroon verder uitdiepen. Tussen 1 en 4 zal er een opmerkelijk grote golf worden ervaren. Bij 2 een steile golfwand, bij 3 een afgevlakte zee. De grilligheid van samengestelde golven schematisch weergegeven.

Terugkaatsing

Wanneer golven tegen een steile wand aanlopen worden er golven teruggekaatst. Zo’n steile wand kan zijn een havenpier of een zeewering, maar ook natuurlijke wanden zoals krijtrotsen of recht uit zee oprijzende rotsmassieven kunnen een terugkaatsende werking hebben, anders dan bij bijvoorbeeld een strand, daar wordt door de afnemende waterdiepte de energie van de golven geabsorbeerd; bij een steile wand worden er golven opgewekt die zich in tegengestelde richting bewegen. Het resultaat is een gebied bovenwinds het steile obstakel met een kortere golfslag dan meer in open water. Beweegt het golfpatroon zich loodrecht op de steile wand, dan worden er haaks op de steile wand golven teruggekaatst. Beweegt het golfpatroon zich met een schuine hoek op de wand, dan worden de golven onder het supplement van die hoek teruggekaatst, met een golfpatroon in ruitvorm als resultaat. Stel dat een golfpatroon onder een hoek van 30 graden westwaarts aanloopt tegen een steile wand, dan zal de terugkaatsing plaats vinden onder een hoek van 30 graden oostwaarts, met een ruitvormig golfpatroon als resultaat. Een steile wand in een boog zoals bijvoorbeeld in een baai, het resultaat daarvan zoals een complex golfpatroon zijn. Dan komen de golven ‘van alle kanten.’

Terugkaatsing van winddrift en golven bij een steile wand

(Wordt vervolgd …)