El estudio del oleaje, su influencia en el conocimiento del clima y en las actividades humanas relacionadas con el mar

El oleaje se caracteriza por un rango de periodos y longitudes de onda concretos que lo diferencia del resto de fenómenos ondulatorios oceánicos. Así, y dando valores muy aproximados, las olas tienen periodos comprendidos entre un segundo y menos de 25 segundos y longitudes de onda entre poco más de un metro y valores máximos de unos 300 metros. En cuanto a las alturas de las olas, que se definen como la distancia en vertical entre la cresta y el valle de la ola, también existe un amplio rango de valores que puede variar de menos de un metro en los casos de calmas o brisas suaves, hasta los casos de temporales huracanados donde las olas alcanzan valores de 14 o más metros. Existen, por ejemplo, informes de navíos en las cercanías del Mar de Tasmania donde se han reportado olas con alturas cercanas a los 30 metros. En general los valores de longitud de onda (o equivalentemente los periodos) están relacionados con la altura de la ola de una forma compleja y depende de las condiciones meteorológicas, así como de la zona geográfica donde se produce el oleaje. Un parámetro que determina el tipo de oleaje esperable es la distancia sobre la superficie del mar en la que el viento que sopla está generando las olas. Esta distancia se conoce por su término inglés de fetch y se suele medir en kilómetros. Cuanto mayor es el fetch, mayores longitudes de onda, periodos y alturas de ola son esperables. Por tanto, en ciertos mares cerrados como el Mar Mediterráneo o el Mar Báltico el fetch máximo está limitado por las condiciones geográficas, por lo que, en este tipo de mares, el tamaño de las olas es también limitado, lo que no significa necesariamente que no existan condiciones de peligrosidad para la navegación.

La importancia del estudio del oleaje se centra en dos aspectos, uno más puramente científico y otro de carácter más práctico. Desde el punto de vista científico el oleaje es uno de los mecanismos más importantes de transferencia de energía entre la atmósfera y el océano y su comprensión afecta tanto a los estudios a escala meteorológica como a escala climática. Otro aspecto importante desde el punto de vista científico incide en el estudio de la propia dinámica del oleaje y de sus mecanismos de propagación. Desde el punto de vista práctico, el estudio del oleaje se enfoca en los campos de la ingeniería civil y naval, como es el diseño de diques, buques, estructuras en alta mar, la ayuda a la toma de decisiones en la gestión costera, etc. Así el estudio del oleaje se enmarca en un área difusa que va desde las matemáticas y la física hasta la ingeniería.

Aunque las ecuaciones básicas que rigen la dinámica del oleaje se conocen prácticamente desde el s. XIX, hasta la segunda mitad del s. XX, y a lo largo de esa segunda mitad del siglo pasado, no se obtuvieron resultados teóricos y prácticos capaces de caracterizar el oleaje adecuadamente. De hecho, en la actualidad el conocimiento del oleaje permite obtener resultados útiles para la ciudadanía, como es el caso los modelos numéricos de predicción de oleaje, que son plenamente operativos actualmente, o el conocimiento de la estructura estadística del comportamiento del oleaje y su empleo para el diseño más eficiente de estructuras marinas. Sin embargo, como siempre debe suceder en ciencia, las respuestas obtenidas generan nuevas preguntas. En la actualidad, existen diferentes frentes abiertos en el estudio del comportamiento de las olas. La temática de estos problemas es muy amplia y variada de forma que la investigación en estos campos requiere de personas formadas y dedicadas plenamente a cada uno de estos aspectos en concreto. Todos estos campos sí tienen una característica en común, la complejidad de los problemas, ya que en todos los casos es necesario abordar dichos problemas utilizando física y matemáticas no lineales. De todos los diferentes campos de estudio que existen en la actualidad, en este texto se va a mencionar únicamente dos líneas de investigación, cada una de ellas, por sí misma, muy extensa:

El oleaje es uno de los mecanismos más importantes de transferencia de energía entre la atmósfera y el océano y su comprensión afecta tanto a los estudios a escala meteorológica como a escala climática

El primer campo de estudio tiene un carácter muy fundamental y es el estudio de la ruptura del oleaje, principalmente en aguas profundas. Esta ruptura se observa en forma de espuma durante el proceso de ruptura de la ola. Dado que el oleaje es uno de los mecanismos principales de transferencia de energía entre la atmósfera y el océano, el conocimiento de los mecanismos de disipación de la energía de las olas en forma de ruptura es importante a la hora de abordar estudios de tipo climático y, a más corto plazo, meteorológico, lo que permitiría mejorar los modelos numéricos de predicción de oleaje. En la actualidad existen diversos grupos en el mundo que abordan este problema desde el punto de vista experimental y teórico, siendo un problema complicado ya contiene aspectos físicos no bien comprendidos como la turbulencia, efectos altamente no lineales, etc.

Otro campo de estudio se centra en el conocimiento de los mecanismos hidrodinámicos de propagación del oleaje. Se sabe que el oleaje es un fenómeno altamente no lineal, aunque para algunas aplicaciones prácticas baste con el uso de una aproximación lineal, y los mecanismos que se producen, tanto en las propagación temporal y espacial de cada ola individual, como en la interacción y transferencia de energía entre olas adyacentes no están aún bien comprendidos. Como ejemplo de fenómenos que afectan a la propagación hidrodinámica del oleaje cabe destacar dos: el fenómeno conocido como agrupamiento del oleaje y la existencia de olas gigantes.

El agrupamiento del oleaje es un fenómeno conocido desde la antigüedad, las olas en su propagación a lo largo del océano tienen a formar paquetes de olas consecutivas altas seguidos de olas de menor altura. Estos paquetes de olas altas, o grupos, son de especial peligrosidad para estructuras marinas, como buques en ruta, ya que están formados por olas altas de periodo similar que pueden ser cercanos a los periodos de resonancia de dichas estructuras marinas pudiendo producir daños severos. Aunque la teoría estándar del oleaje, basada fundamentalmente en una física lineal, predice la existencia de los grupos, experiencias de laboratorio indican que el fenómeno del agrupamiento es más complicado de lo que pudiese parecer y que los grupos de ola son más estables en el tiempo de lo que indica la teoría lineal. En la actualidad existen diversos enfoques matemáticos del problema basados en métodos no lineales para abordar este problema, entre ellos cabe destacar el estudio de los grupos mediante una modificación no lineal de la ecuación de Schrödinger, la ecuación que en su versión lineal inicial se utilizó en el desarrollo de la mecánica cuántica.

Por último, la existencia de las olas gigantes es un fenómeno que ha generado cierto interés mediático en los últimos años. Para este fenómeno se utilizan diversos nombres, como el ya mencionado de olas gigantes, u olas monstruosas, o incluso olas “freak” . Ninguna de estas denominaciones es realmente afortunada, teniendo un carácter más mediático que científico, lo que no implica que el fenómeno no sea muy interesante. De hecho, junto con los ejemplos anteriores, el estudio de las olas gigantes está desde hace varios años muy en boga, existiendo grupos de investigación en todo el mundo dedicados a abordar el problema desde el punto de vista tanto teórico como experimental. El inicio del estudio parte de informes de marineros reportando la existencia de olas anormalmente altas sobre estado medio del mar, estas olas se describen como muros de agua propagándose en aguas profundas. Durante años, basándose en que la teoría lineal del oleaje predice que estos fenómenos deben ser muy improbables o, incluso, inexistentes, no se dio demasiado crédito desde el mundo científico a estos informes. Sin embargo, la existencia de diversos accidentes graves de navíos en condiciones de oleaje de relativa calma, y el que muchos accidentes indicasen que la proa de los buques hubiesen sido golpeados por un muro muy elevado de agua, hicieron cambiar de opinión a los científicos e ingenieros que estudian estos fenómenos. En la actualidad se sabe que este tipo de olas existe y que son más probables de lo que la teoría lineal indica. De hecho, el 1 de enero de 1995 en la plataforma petrolífera de Draupner en el mar del Norte se registró una medida de una ola de este tipo con una altura de ola de 25,6 metros. Debido a la fecha en la que se registró la medida, esta ola se conoce como la ola del año nuevo (en Internet existe abundante documentación de este fenómeno si se busca por el término de “New Year Wave”). Actualmente, el desafío estriba en conocer más a fondo los mecanismos de generación de estos fenómenos e intentar en el futuro, si no predecir, al menos estimar la probabilidad de ocurrencia de estas olas gigantes.

Existen muchos otros fenómenos no bien conocidos en relación con el oleaje y su interacción con el viento y otros fenómenos oceánicos, como las corrientes marinas, pero lo más destacable es que aún no se sabe todo acerca del comportamiento de las olas y de su papel en los procesos del clima de la Tierra y, sobre todo, cuando observemos las olas rompiendo en una playa seamos conscientes de que aún hay mucho por descubrir e investigar.