Những yếu tố nào quyết định sự hình thành sóng biển?

Các đại lượng thường dùng để mô tả trường sóng gồm chiều cao sóng, bước sóng và chu kỳ. Chiều cao là khoảng cách thẳng đứng từ đỉnh đến đáy sóng; bước sóng là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy liên tiếp. Khi xét ảnh hưởng của tốc độ gió, khoảng thổi và thời gian, đối tượng cần tập trung là sóng do gió; thủy triều và sóng thần có cơ chế phát sinh khác.

Sóng biển do gió bắt đầu hình thành như thế nào?

Khi gió thổi trên mặt nước, lực kéo giữa không khí và nước tạo ra những nhiễu động nhỏ. Mặt nước càng gồ ghề, gió càng dễ tiếp tục truyền động lượng và năng lượng vào các nhiễu động đó, khiến chúng phát triển thành sóng rõ rệt hơn. NOAA lưu ý rằng gió phải chuyển động nhanh hơn đỉnh sóng thì mới tiếp tục truyền năng lượng cho sóng.

Quá trình này không tạo một con sóng duy nhất mà hình thành nhiều thành phần sóng có chiều cao, chu kỳ và hướng khác nhau. Khi gió tiếp tục tác động, sóng có thể cao hơn, đồng thời bước sóng và chu kỳ cũng dài hơn. Do đó, sự phát triển của sóng không chỉ thể hiện ở độ cao của đỉnh sóng mà còn ở nhịp dao động và khoảng cách giữa các đỉnh.

Năng lượng mới là thành phần lan truyền chủ yếu, còn nước phản ứng bằng chuyển động dao động. Vì vậy, sóng có thể tiếp tục đi xa sau khi rời vùng gió đã tạo ra nó mà không cần toàn bộ khối nước di chuyển cùng sóng.

Tốc độ gió quyết định mức năng lượng truyền vào sóng ra sao?

Tốc độ gió chi phối mức năng lượng mà khí quyển có khả năng truyền vào mặt biển. Khi gió yếu, sóng chỉ phát triển ở mức nhỏ dù gió có thổi lâu hoặc trên một vùng nước rộng. NOAA nêu rõ rằng tốc độ gió thấp chỉ tạo sóng nhỏ, bất kể thời gian và fetch lớn đến đâu.

Khi gió mạnh hơn và duy trì ổn định, sóng có điều kiện tăng chiều cao và chu kỳ. Tuy nhiên, sự tăng trưởng không kéo dài vô hạn. Khi tốc độ truyền của sóng tiến gần tốc độ gió đang duy trì nó, khả năng gió tiếp tục truyền thêm năng lượng giảm; trường sóng dần tiến tới trạng thái phát triển tương ứng với điều kiện gió. NDBC sử dụng chính quan hệ giữa tốc độ gió và tốc độ truyền sóng để giải thích trạng thái biển phát triển đầy đủ.

Một cơn gió mạnh tức thời vì thế chưa đủ để làm biển xuất hiện sóng lớn ngay lập tức. Tốc độ gió nâng mức năng lượng có thể cấp cho sóng, nhưng mức phát triển thực tế còn phụ thuộc gió tác động bao lâu và trên quãng mặt nước dài đến đâu.

Khoảng thổi (fetch) ảnh hưởng đến kích thước sóng thế nào?

Khoảng thổi, hay fetch, là quãng mặt nước mà gió thổi tương đối liên tục theo cùng một hướng. NWS cũng dùng thuật ngữ này cho vùng hoặc chiều dài vùng mà sóng được gió tạo ra. Fetch càng dài, trường sóng càng có nhiều quãng đường để tiếp tục nhận năng lượng từ cùng hệ gió trước khi rời vùng phát sinh.

Nếu fetch ngắn, sóng rời vùng được gió cấp năng lượng quá sớm. Vì vậy, ngay cả gió mạnh và kéo dài cũng không nhất thiết tạo được sóng lớn khi quãng nước hữu hiệu quá ngắn. NOAA chỉ rõ rằng gió mạnh thổi lâu trên một fetch ngắn vẫn không tạo ra sóng lớn.

Cơ chế này giải thích vì sao cùng điều kiện gió, vùng biển mở có thể phát triển trường sóng lớn hơn một vùng nước bị giới hạn về không gian. Sự khác biệt không phải do nước ở biển mở tự nhiên “dễ nổi sóng hơn”, mà do sóng có thêm quãng đường để tiếp nhận năng lượng trong hướng gió thuận lợi.

Thời gian gió thổi quyết định mức phát triển của sóng ra sao?

Thời gian gió thổi là khoảng thời gian trường gió đủ ổn định để tiếp tục cấp năng lượng cho sóng. Nếu gió rất mạnh nhưng chỉ kéo dài vài phút, sóng chưa có đủ thời gian để phát triển đến kích thước mà tốc độ gió đó có thể tạo ra. NOAA dùng chính trường hợp này để minh họa rằng gió mạnh nhưng thời gian ngắn vẫn không tạo sóng lớn, kể cả khi fetch rất rộng.

Khi gió duy trì lâu hơn, các nhiễu động có thêm thời gian nhận năng lượng và phát triển thành trường sóng có chiều cao, bước sóng và chu kỳ lớn hơn. Tuy nhiên, thời gian không thể bù vô hạn cho một fetch ngắn: nếu sóng đã đi hết vùng gió hữu hiệu, việc gió tiếp tục thổi không tạo thêm quãng đường để chính trường sóng đó tiếp tục nhận năng lượng.

Fetch phụ thuộc vào quãng nước mà gió thổi không có thay đổi đáng kể về hướng. Bởi vậy, khi hướng gió thay đổi rõ rệt, fetch hữu hiệu cũng thay đổi; điều kiện tích lũy năng lượng của trường sóng không còn giống giai đoạn trước.

Vì sao sóng lớn chỉ xuất hiện khi ba yếu tố cùng đủ?

Tốc độ gió, fetch và thời gian không phải ba “điểm cộng” độc lập mà là các điều kiện ràng buộc lẫn nhau. Tốc độ gió quyết định mức năng lượng có thể cung cấp, fetch quyết định quãng đường trao đổi năng lượng, còn thời gian quyết định quá trình ấy diễn ra được bao lâu. Chỉ cần một yếu tố thiếu, sóng có thể ngừng phát triển trước khi đạt mức mà hai yếu tố còn lại cho phép. NOAA kết luận rằng sóng lớn chỉ xuất hiện khi cả ba yếu tố cùng kết hợp.

Ba tình huống cho thấy rõ cơ chế giới hạn:

·         Gió mạnh nhưng thời gian ngắn: Sóng chưa kịp phát triển đầy đủ

·         Gió mạnh và kéo dài nhưng fetch ngắn: Sóng rời vùng nhận năng lượng quá sớm

·         Gió đủ mạnh, đủ lâu và fetch đủ dài: Trường sóng có thể tiến tới trạng thái phát triển phù hợp với tốc độ gió đó

Một ví dụ định lượng của NOAA cho thấy sự phụ thuộc đồng thời này. Với gió ổn định khoảng 30 knot thổi trong 24 giờ trên fetch khoảng 340 dặm, ví dụ tính toán cho chiều cao sóng trung bình khoảng 11 ft (3 m) và chiều cao sóng có ý nghĩa khoảng 17 ft (5 m). “Chiều cao sóng có ý nghĩa” là trung bình của một phần ba số sóng cao nhất trong chuỗi quan trắc, nên con số 5 m không có nghĩa mọi con sóng đều cao 5 m. Đây là ví dụ cho một tổ hợp điều kiện cụ thể, không phải công thức dự báo chung cho mọi vùng biển.

Khi đánh giá khả năng phát triển của sóng, yếu tố đáng chú ý nhất thường là yếu tố đang tạo giới hạn. Tăng tốc độ gió chưa chắc làm sóng lớn tương ứng nếu fetch hoặc thời gian vẫn thiếu; tương tự, fetch rất dài không tạo sóng lớn nếu gió quá yếu hoặc nhanh chóng suy giảm.

Đặc điểm của sóng thay đổi thế nào sau khi rời vùng gió?

Sóng đang được gió địa phương trực tiếp tạo và duy trì thường được gọi là wind waves hoặc wind sea. Khi chúng rời vùng phát sinh hoặc nguồn gió suy yếu, phần sóng tiếp tục lan truyền được gọi là swell (sóng lừng). NWS mô tả swell là sóng do gió tạo ra nhưng đã đi ra khỏi vùng sinh sóng; chúng thường đều hơn, có đỉnh thoải hơn và chu kỳ dài hơn, đặc trưng khoảng 10 giây trở lên.

Vì thế, một bờ biển vẫn có thể nhận những đợt sóng đều, chu kỳ dài dù gió tại chỗ không mạnh, bởi năng lượng của chúng có thể xuất phát từ một vùng gió ở xa. Quan sát riêng tốc độ gió địa phương không đủ để suy ra toàn bộ lịch sử hình thành của sóng; chu kỳ, độ đều và hướng truyền cũng giúp phân biệt trường sóng còn chịu tác động của gió tại chỗ với swell đã truyền ra khỏi vùng phát sinh.

Khi tiến vào vùng nước nông, sóng còn có thể bị đáy biển làm biến đổi và trở nên dốc hơn trước khi vỡ. Đây là giai đoạn biến đổi sau khi hình thành, không thay thế vai trò của tốc độ gió, fetch và thời gian trong quá trình tạo và phát triển sóng ngoài khơi.

Sự hình thành sóng biển do gió là quá trình truyền năng lượng từ khí quyển vào mặt nước. Tốc độ gió quyết định mức năng lượng có thể truyền, fetch quyết định quãng đường trao đổi năng lượng, còn thời gian quyết định quá trình ấy kéo dài bao lâu. Sóng lớn chỉ hình thành khi cả ba điều kiện cùng đủ; một yếu tố bị giới hạn có thể trở thành “nút thắt” của toàn bộ quá trình. Sau khi rời vùng gió, sóng có thể chuyển thành swell và tiếp tục lan truyền, còn các thay đổi gần bờ thuộc giai đoạn biến đổi của sóng hơn là cơ chế phát sinh ban đầu.