Ondas Infragravíticas

As ondas infragravíticas são um tipo de ondas de longo período, com períodos que vão dos 30 s até alguns minutos. Podem-se apresentar sob a forma de ondas livres, as ondas edge e as ondas leaky, ou sob a forma de ondas de longo período ligadas (long bound waves ou set-down). As ondas de longo período ligadas são o resultado da tendência das ondas geradas pelo vento, especialmente a ondulação, se agruparem formando grupos de onda.

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Os grupos de ondas são conjuntos de ondas sucessivas cujas alturas estão acima de um certo nível de agrupamento seguidos por grupos de onda de mais pequena altura, (Rosa Santos, 2010). Dado que na aproximação ao litoral a celeridade, 𝑐, das ondas passa a ser sobretudo condicionada pela profundidade de água, 𝑑, tal que 𝑐 ≈ √9.81 𝑑, ondas com alturas e períodos diferentes passam a viajar a velocidades próximas e formam agrupamentos mais estáveis. A chegada alternada destes grupos de onda maiores e menores, provoca variações quase periódicas no nível médio da água, o que constitui uma perturbação de longo período, a onda de longo período ligada, Figura 3-16, que viaja à velocidade do grupo. A variação do nível médio da água à passagem do grupo de ondas está relacionada com a variação do fluxo de momento linear horizontal, que é função da velocidade das partículas de água induzidas pela onda, e da pressão. Como o fluxo de momento horizontal é mais elevado sob os agrupamentos de ondas de maior altura, desenvolve-se uma depressão no nível médio da água do mar ao longo desse grupo que pode ser interpretado simplificadamente sob a perspetiva da conservação da energia associada ao Principio de Bernoulli, e pelo qual se entende que o aumento da energia cinética associada ao movimento orbital das partículas de água deve ser compensado com uma redução da pressão, que é o mesmo que dizer, uma diminuição do nível médio da superfície livre. A restituição do nível médio da superfície livre dá-se no espaço entre a passagem dos grupos de onda maiores.

A magnitude das ondas de longo período ligadas pode ser correlatada a três fatores. Primeiro, como se entende pelas características do seu mecanismo gerador, dependerá da amplitude das ondas de curto período que lhe dão origem. Assim, a energia infra-gravítica aumenta consoante os estados de agitação marítima ao largo são mais enérgicos, principalmente no que toca à ondulação. Será também tanto maior quando menor for a dispersão direcional das ondas de curto período. Investigações mostram que a energia da bond long wave é máxima quando as ondas primárias são colineares, sendo que a magnitude do forçamento dessas ondas diminui, significativamente, com o aumento do ângulo entre as direções de propagação das componentes em interação (forçadoras) do espetro de ondas primárias (Okihiro et al., 1993; Herbers et al., 1994).

Figura 3-16 – Agrupamento de ondas de curto período e desenvolvimento da onda de longo período ligada (Rosa Santos, 2010).

Existem diversas hipóteses para explicar a origem das ondas de longo período livres, cujos mecanismos de geração ainda não estão perfeitamente caracterizados nem documentados. Uma das hipóteses remete a origem destas ondas remete para os agrupamentos de ondas, como é o caso também das ondas infragravíticas do tipo long bond wave. A rebentação dos grupos de ondas na aproximação à costa gera variações do nível médio da água na surf zone (zona de rebentação). Uma série de high breakers (ondas de maior altura em rebentação) faz subir temporariamente o

53 nível da água, uma série de low breakers permite que o nível volte a cair (Munk, 1950). Este fenómeno, junto à costa, resulta numa variação periódica da linha de costa, como um batimento do mar, sendo por isso conhecida como surf beat. O batimento resultante da rebentação das ondas propaga-se então a partir da surf zone, sendo refletido para o largo, ondas leaky, ou pode ficar “aprisionado” junto à costa por refração, ondas edge (Rosa Santos, 2010). Uma explicação para a origem das ondas de longo período livres, relaciona-as com as ondas de longo período ligadas. Ora, como foi já referido, as long bond waves viajam “ligadas” aos agrupamentos de ondas de curto período. No entanto, ao contrário das ondas de curto período que com a aproximação à surf zone vão sofrer dissipação da sua energia por atrito com os fundos e, sobretudo, por rebentação, as ondas de longo período ligadas não perdem a energia e esta até aumenta, devido ao forçamento contínuo exercido pelas ondas de curto período durante o processo de empolamento (Rosa Santos, 2010). Com a rebentação do grupo de ondas primário, a onda de longo período é libertada e continua a sua propagação em direção à costa, sendo que, posteriormente à sua reflexão na praia, dá origem a uma onda de longo período livre. Um mecanismo alternativo, que também aponta a origem das ondas de longo período livres com base no fenómeno de rebentação das ondas de curto período, dá conta da importância da variação do ponto de rebentação, que origina oscilações de set-up. Dado que as ondas individualmente, rebentam a profundidades diferentes, consoante a sua altura, então as ondas de longo período geradas na rebentação teriam período em consonância com a chegada dos grupos de ondas com alturas diferentes. As ondas refletidas geram um padrão de interferência que depende da relação de fase entra as duas ondas forçadas no ponto de rebentação (Rosa Santos, 2010). Um terceiro mecanismo situa a origem destas ondas como sendo fruto da libertação de energia das bond long waves quando se deparam com alterações bruscas da batimetria. Outras hipóteses relacionam a geração de ondas livres com a ocorrência de fenómenos sísmicos ou com fenómenos atmosféricos como a passagem de ciclones ou anticiclones que, ao provocarem variações na pressão atmosférica alteram o nível médio da superfície livre, iniciando ondas de longo período.

Em geral, as ondas de longo período livres compõem a parcela principal do espetro na banda infragravítica junto à costa (PIANC, 2012). No entanto, são quase impercetíveis ao largo pois perdem grande parte da energia desde o seu ponto de geração, junto à costa, sofrendo um efeito quase simétrico do que acontece com as ondas de longo período ligadas, cuja energia é amplificada com a aproximação à costa. À semelhança do que acontece com as wind-waves, a energia infra-gravítica, caracterizada no caso pela altura significativa de onda, 𝐻𝑆,𝑙𝑝 pode ser

determinada com base na sobreposição da parcela das ondas de longo período livres, 𝐻_{𝑆,𝑙𝑝𝑓}, e outra correspondente às ondas de longo período ligadas, 𝐻_{𝑆,𝑙𝑝𝑏}, segundo a expressão,

𝐻𝑠,𝑙𝑝= (𝐻𝑠,𝑙𝑝𝑓2 + 𝐻𝑠,𝑙𝑝𝑏2 ) 1/2

(3.10) A conjugação da perda de energia das wind-waves, desde o largo até à costa, com o aumento da energia das bond long waves à medida que diminui a profundidade de água e a sobreposição das ondas de longo período livres, que têm a sua energia máxima também junto à costa, onde são geradas, faz com que o espetro de energia se apresente largamente modificado junto à costa, Figura 3-17.

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Figura 3-17 - Variação de um espetro de agitação marítima com a profundidade de água num canal de ondas – Resultados experimentais obtidos por Gravesen, 2005, (adaptado de Rosa Santos, 2010).

Os resultados experimentais obtidos por Gravesen (2005) demonstram claramente o aumento da energia da banda infra-gravítica com a redução da profundidade de água, que é ainda mais expressivo quando comparado com a energia do restante espetro, já que à maior profundidade de água (sonda 1), a densidade espectral nas frequências correspondeste às ondas de curto período é várias vezes superior à que se observa nas frequências correspondestes à das ondas infragravíticas. Esse aumento é bastante consistente a partir da sonda 4, quando a inclinação dos fundos se torna mais íngreme, de 1/100 para 1/15. As alterações mais significativas no espetro ocorrem assim que a inclinação dos fundos se acentua, verificando-se uma diminuição brusca da energia espetral entre as frequências de 0.05 e 0.015 Hz da sonda 6 para a sonda 7. Dadas as profundidades a que se encontram as sondas nestes pontos, 9.8 m e 5.2 m, a zona entre elas deverá corresponder, sensivelmente, à surf zone, dado que a altura significativa de onda, 𝐻_𝑠, do espetro é de 7.2 m. Assim, compreende-se, a diminuição brusca da energia de curto-período registada, por se dar a dissipação da energia das ondas por rebentação. O surgimento de um pico de energia na banda infra-gravítica concomitante com a rebentação das ondas de curto período corrobora a teoria que relaciona o aparecimento de ondas de longo período livres com a rebentação das ondas de curto período, designadas por batimentos.

Os problemas associados às ondas infragravíticas, no que concerne à amarração de navios em portos, são fundamentalmente a capacidade que têm de despoletar fenómenos de ressonância portuária, as chamadas seichas, e a correspondência entre os seus períodos e os períodos naturais de oscilação dos navios, em especial para os navios porta-contentores (navios de grande porte em geral), dos seus movimentos no plano horizontal (avanço, deriva e guinada). Além disso, são

55 difíceis de prever, e há dificuldade em dissipar a sua energia já que facilmente conseguem difratar ou ser transmitidas através dos quebramares que protegem os portos. Este último ponto leva a que se fale num paradoxo do porto (harbour paradox), já que a construção de quebramares mais alongados e de uma embocadura do porto mais estreita, apesar de conduzir, aparentemente, a uma melhor proteção contra a agitação e do efeito das ondas, pode na verdade agravar os problemas causados pelas ondas de longo período (PIANC, 1995), já que se tornam assim a excitação dominante, o que aumenta a probabilidade de geração de seichas e de ocorrência de ressonância com o navio amarrado.