OCEANOGRAFÍA FÍSICA

A seiche ( / s eɪ ʃ / SAYSH ) es una onda estacionaria en un cuerpo cerrado o parcialmente cerrado de agua. Se han observado fenómenos relacionados con seiches y seiches en lagos, embalses , piscinas, bahías, puertos y mares. El requisito clave para la formación de un seiche es que el cuerpo de agua esté al menos parcialmente limitado, permitiendo la formación de la onda estacionaria.

El término fue promovido por el hidrólogo suizo François-Alphonse Forel en 1890, quien fue el primero en hacer observaciones científicas del efecto en el Lago Ginebra , Suiza . ^[1] La palabra se origina en una palabra del dialecto suizo francés que significa "balancearse de un lado a otro", que aparentemente se había utilizado en la región para describir las oscilaciones en los lagos alpinos.

Los seiches en puertos pueden ser causados ​​por ondas de período largo o infragravidad , que se deben a lainteracción de ondas no lineales subarmónicas con las ondas de viento , que tienen períodos más largos que las ondas generadas por el viento que lo acompañan.

Una onda estacionaria (negra) representada como una suma de dos ondas propagantes que viajan en direcciones opuestas (azul y rojo).

Causas y naturaleza de los seiches [ editar ]

Los seiches a menudo son imperceptibles a simple vista, y los observadores en barcos en la superficie pueden no darse cuenta de que se está produciendo un seiche debido a las longitudes de onda extremadamente largas.

El efecto es causado por resonancias en un cuerpo de agua que ha sido perturbado por uno o más factores, la mayoría de las veces efectos meteorológicos (variaciones del viento y la presión atmosférica), actividad sísmica o tsunamis . ^{[3] La} gravedad siempre busca restaurar la superficie horizontal de un cuerpo de agua líquida, ya que representa la configuración en la que el agua está en equilibrio hidrostático .

Se produce un movimiento armónico vertical que produce un impulso que recorre la longitud de la cuenca a una velocidad que depende de la profundidad del agua. El impulso se refleja desde el final de la cuenca, generando interferencia. Los reflejos repetidos producen ondas estacionarias con uno o más nodos, o puntos, que no experimentan movimiento vertical. La frecuencia de la oscilación está determinada por el tamaño de la cuenca, su profundidad y contornos, y la temperatura del agua.

El período natural más largo de un seiche es el período asociado con la resonancia fundamental para el cuerpo de agua, correspondiente a la onda estacionaria más larga. Para una superficie de superficie en un cuerpo de agua rectangular cerrado, esto puede estimarse utilizando la fórmula de Merian: ^[4] [5]

$${\ displaystyle T = {\ frac {2L} {\ sqrt {gh}}}}

donde T es el período natural más largo, L es la longitud, h la profundidad promedio del cuerpo de agua yg la aceleración de la gravedad . ^[6]

También se observan armónicos de orden superior. El período del segundo armónico será la mitad del período natural, el período del tercer armónico será un tercio del período natural, y así sucesivamente.

Seiches alrededor del mundo [ editar ]

Se han observado seiches tanto en lagos como en mares. El requisito clave es que la masa de agua esté parcialmente restringida para permitir la formación de ondas estacionarias. No se requiere regularidad de la geometría; incluso los puertos con formas extremadamente irregulares se observan rutinariamente a oscilar con frecuencias muy estables.

Lago seiches [ editar ]

Seiches rítmicos bajos casi siempre están presentes en los lagos más grandes. Por lo general, no se notan entre los patrones de onda comunes, excepto durante períodos de calma inusual. Puertos , bahías y estuarios son a menudo propensos a pequeños seiches con amplitudes de unos pocos centímetros y períodos de unos pocos minutos.

Entre otros lagos bien conocidos por sus seiches regulares está el lago Wakatipu de Nueva Zelanda , que varía su altura de superficie en Queenstown en 20 centímetros en un ciclo de 27 minutos. Los seiches también pueden formarse en mares semicerrados; el Mar del Norte a menudo experimenta un seiche longitudinal con un período de aproximadamente 36 horas.

Diferencias en el nivel de agua causada por un seiche en el lago Erie , registrado entre Buffalo, Nueva York ( rojo ) y Toledo, Ohio ( azul ) el 14 de noviembre de 2003

El Servicio Nacional de Meteorología emite avisos de escasez de agua para porciones de los Grandes Lagos cuando es probable que ocurran seiches de 2 pies o más. ^{[7] El} lago Erie es particularmente propenso a los seiches causados ​​por el viento debido a su poca profundidad y su alargamiento en un eje noreste-sudoeste, que con frecuencia coincide con la dirección de los vientos dominantes y, por lo tanto, maximiza el alcance de esos vientos. Estos pueden llevar a seiches extremos de hasta 5 metros (16 pies) entre los extremos del lago.

El efecto es similar a una marejada ciclónica como la causada por huracanes a lo largo de las costas oceánicas, pero el efecto seiche puede causar oscilación de un lado a otro a través del lago durante algún tiempo. En 1954, el huracán Hazel acumuló agua a lo largo de la costa noroeste del lago Ontario cerca de Toronto , causando grandes inundaciones, y estableció un seiche que posteriormente causó inundaciones a lo largo de la costa sur.

Los seiches del lago pueden ocurrir muy rápidamente: el 13 de julio de 1995, un gran seiche en el lago Superiorcausó que el nivel del agua cayera y luego volviera a subir tres pies (un metro) en quince minutos, dejando a algunos barcos colgando de los muelles en su amarre. líneas cuando el agua se retiró. ^[8] El mismo sistema de tormentas que causó el seiche de 1995 en el Lago Superior produjo un efecto similar en el Lago Huron , en el cual el nivel del agua en Port Huron cambió en 6 pies (1,8 m) durante dos horas. ^[9] En el lago Michigan , ocho pescadores fueron arrastrados de los muelles en las playas de Montrose y North Avenue y se ahogaron cuando un seiche de 10 pies (3,0 m) golpeó la costa de Chicago el 26 de junio de 1954.^[10]

Los lagos en áreas sísmicamente activas, como el Lago Tahoe en California / Nevada , tienen un riesgo significativo de seiches. La evidencia geológica indica que las orillas del lago Tahoe pueden haber sido alcanzadas por seiches y tsunamis a una altura de hasta 10 metros (32.8 pies) en los tiempos prehistóricos, y los investigadores locales han pedido que se incluya el riesgo en los planes de emergencia para la región. ^[11]

Se pueden observar seiches generados por terremotos a miles de kilómetros de distancia del epicentro de un terremoto. Las piscinas son especialmente propensas a los seiches causados ​​por terremotos, ya que los temblores del suelo a menudo coinciden con las frecuencias de resonancia de pequeños cuerpos de agua. El terremoto de Northridge en California en 1994 provocó el desbordamiento de piscinas en el sur de California. El masivo terremoto del Viernes Santo que azotó Alaska en 1964 causó seiches en piscinas tan lejanas como Puerto Rico ^[12] . El terremoto que azotó Lisboa, Portugal, en 1755, provocó la muerte de 3.000 millas (3.000 km) en Loch Lomond, Loch Long, Loch Katrine y Loch Ness enEscocia ^[13] y en canales en Suecia . El terremoto del Océano Índico de 2004 causó seiches en cuerpos de agua estancados en muchos estados de la India, así como en Bangladesh , Nepal y el norte de Tailandia . ^[14] Nuevamente se observaron Seiches en Uttar Pradesh , Tamil Nadu y Bengala Occidental en India , así como en muchos lugares de Bangladesh durante el terremoto de Kashmir en 2005 . ^[15]

Se sabe que el terremoto de Assam-Tíbet de 1950 generó seiches tan lejanos como Noruega y el sur de Inglaterra . Otros terremotos en el subcontinente indio que se han generado seiches incluyen el 1803 Kumaon-Barahat, 1819 Allah Bund , 1842 Bengala Central, 1905 Kangra, 1930 Dhubri, 1934 Nepal-Bihar, 2001 Bhuj, 2005 Nias, 2005 terremotos en la Isla Teresa. El terremoto de Chile del 27 de febrero de 2010 produjo un seiche en el lago Pontchartrain , Louisiana , con una altura de alrededor de 0.5 pies. El terremoto Sierra El Mayor 2010produjo grandes Seiches que rápidamente se convirtió en un fenómeno de Internet. ^[dieciséis]

Se observaron seiches de al menos 1,8 m (6 pies) en Sognefjorden , Noruega , durante el terremoto de 2011 en Tōhoku . ^[17] [18]

Mar y la bahía Seiches [ editar ]

Se han observado seiches en mares como el mar Adriático y el mar Báltico . Esto se traduce en la inundación de Venecia y San Petersburgo , respectivamente, ya que ambas ciudades se construyen en ex pantanos. En San Petersburgo, las inundaciones inducidas por seiches son comunes a lo largo del río Neva en otoño. El seiche es impulsado por una región de baja presión en el Atlántico Norte que se mueve en tierra, dando lugar a mínimos ciclónicos en el Mar Báltico. La baja presión del ciclón atrae una cantidad de agua mayor a la normal en el Báltico virtualmente sin litoral. A medida que el ciclón continúa tierra adentro, en el Báltico se establecen ondas largas de baja frecuencia con longitudes de onda de varios cientos de kilómetros. Cuando las olas alcanzan la estrecha y poco profunda bahía de Neva, se vuelven mucho más altas y, finalmente, inundan los terraplenes de Neva. ^[19]Fenómenos similares se observan en Venecia, resultando en el Proyecto MOSE , un sistema de 79 barreras móviles diseñadas para proteger las tres entradas a la Laguna Veneciana .

La bahía de Nagasaki es un área típica en Japón donde se han observado seiches de vez en cuando, más a menudo en la primavera, especialmente en marzo. El 31 de marzo de 1979, la estación de mareas de Nagasakiregistró un desplazamiento máximo del nivel del agua de 2,78 metros (9,1 pies), en esa ubicación debido al seiche. Se supone que el desplazamiento máximo del nivel del agua en toda la bahía durante este evento seich que haya alcanzado los 4,70 metros (15,4 pies), en la parte inferior de la bahía. Los seiches en el oeste de Kyushu , incluida la bahía de Nagasaki, a menudo son inducidos por una baja en la presión atmosférica que pasa al sur de la isla de Kyushu. ^[20] Seiches en la Bahía de Nagasaki tienen un período de unos 30 a 40 minutos. Localmente, seiche ( 振動振動 fukushindō ) se llama abiki ( あ び き ) . Se considera que la palabra abiki se deriva de 網 引 き( amibiki ) , que literalmente significa: el arrastre (引 き( biki ) ) de una red de pesca (網( ami )). Los seiches no solo causan daños a la pesquería local, sino que también pueden ocasionar inundaciones en la costa alrededor de la bahía, así como la destrucción de las instalaciones portuarias .

Los seiches también pueden ser inducidos por un tsunami , un tren de olas (serie de olas) generado en un cuerpo de agua por una perturbación pulsante o abrupta que desplaza verticalmente la columna de agua. En ocasiones, los tsunamis pueden producir seiches como resultado de las particularidades geográficas locales. Por ejemplo, el tsunami que golpeó a Hawai en 1946 tuvo un intervalo de quince minutos entre los frentes de las olas. El periodo de resonancia natural de la bahía de Hilo.es de unos treinta minutos Eso significaba que cada segunda ola estaba en fase con el movimiento de Hilo Bay, creando un seiche en la bahía. Como resultado, Hilo sufrió daños peores que cualquier otro lugar en Hawai, con el tsunami / seiche alcanzando una altura de 26 pies a lo largo del Hilo Bayfront, matando a 96 personas solo en la ciudad. Las olas de Seiche pueden continuar durante varios días después de un tsunami.

Las olas solitarias internas (solitones) generadas por la marea pueden excitar a los seiches costeros en los siguientes lugares: Isla Magueyes en Puerto Rico, ^{[21] [22] [23]} Puerto Princesa en la isla Palawan, ^[24] Bahía de Trincomalee en Sri Lanka, ^{[25 ] [26]} y en la Bahía de Fundy, en el este de Canadá, donde varios seiscientos causan algunas de las fluctuaciones de mareas más altas registradas en el mundo. ^[27] Existe un mecanismo dinámico para la generación de seiches costeros por ondas internas de aguas profundas. Estas ondas pueden generar una corriente suficiente en la ruptura de la plataforma para excitar los seiches costeros. ^[28]

Ilustración de la iniciación de seiches de termoclina de superficie y subsuelo.

Ondas submarinas (internas) [ editar ]

Aunque la mayor parte de la literatura técnica aborda los seiches de superficie, que se observan fácilmente, también se observan debajo de la superficie del lago actuando a lo largo de la termoclina ^[29] en cuerpos de agua restringidos.

En analogía con la fórmula de Merian, el período esperado de la onda interna se puede expresar como: ^[30]

$${\ displaystyle T = {\ frac {2L} {c}}} con $${\ displaystyle c ^ {2} = g {\ frac {\ rho _ {2} - \ rho _ {1}} {\ rho _ {2}}} {\ frac {h_ {1} h_ {2}} {h_ {1} + h_ {2}}}}

donde T es el período natural , L es la longitud del cuerpo de agua,$${\ displaystyle h_ {1}, h_ {2}}los espesores promedio de las dos capas separadas por estratificación (por ejemplo, epilimnion e hipolimnion ),$${\ displaystyle \ rho _ {1}, \ rho _ {2}}Las densidades de estas dos mismas capas yg la aceleración de la gravedad .

Ingeniería para la protección seiche [ editar ]

Esta sección necesita expansión. Puedes ayudar añadiéndolo . ( Junio ​​2008 )

Los ingenieros consideran los fenómenos secundarios en el diseño de obras de protección contra inundaciones (por ejemplo, la represa de San Petersburgo ), embalses y represas (por ejemplo, la presa de Grand Coulee ), depósitos de agua potable, puertos e incluso depósitos de combustible nuclear gastado.

 fuerza de vórtice de Craik-Leibovich (CL) describe un forzamiento del flujo medio através de la interacción onda-corriente , específicamente entre la velocidad de deriva de Stokes y la vorticidad delflujo medio . La fuerza de vórtice CL se utiliza para explicar la generación de circulaciones de Langmuir mediante un mecanismo de inestabilidad . El mecanismo de fuerza de vórtice CL fue derivado y estudiado por Sidney Leibovich y Alex DD Craik en los años 70 y 80, en sus estudios de circulaciones de Langmuir (descubiertos por Irving Langmuir en los años 30).

Descripción [ editar ]

La fuerza de vórtice CL es

$${\ displaystyle \ rho \, {\ boldsymbol {u}} _ {S} \ times {\ boldsymbol {\ omega}},}

con $${\ displaystyle {\ boldsymbol {u}} _ {S}}la velocidad de deriva y la vorticidad de Stokes ( lagrangiano )$${\ displaystyle {\ boldsymbol {\ omega}} = \ nabla \ times {\ boldsymbol {u}}}(es decir, el rizo de la velocidad media de Eulerian$${\ displaystyle {\ boldsymbol {u}}}). Promover$${\ displaystyle \ rho}es la densidad del fluido y$${\ displaystyle \ nabla \ times} es el operador de rizo.

La fuerza de vórtice CL encuentra sus orígenes en la aparición de la deriva de Stokes en los términos de aceleración convectiva en la ecuación de impulso medio de las ecuaciones de Euler o las ecuaciones de Navier-Stokes . Para densidad constante, la ecuación de momento (dividida por la densidad$${\ displaystyle \ rho}) es: ^[1]

$${\ displaystyle \ underbrace {\ partial _ {t} {\ boldsymbol {u}}} _ {\ text {(a)}} + \ underbrace {{\ boldsymbol {u}} \ cdot \ nabla {\ boldsymbol {u }}} _ {\ text {(b)}} + \ underbrace {2 {\ boldsymbol {\ Omega}} \ times {\ boldsymbol {u}}} _ {\ text {(c)}} + \ underbrace { 2 {\ boldsymbol {\ Omega}} \ times {\ boldsymbol {u}} _ {S}} _ {\ text {(d)}} + \ underbrace {\ nabla (\ pi + {\ boldsymbol {u}} \ cdot {\ boldsymbol {u}} _ {S})} _ {\ text {(e)}} = \ underbrace {{\ boldsymbol {u}} _ {S} \ times (\ nabla \ times {\ boldsymbol {u}})} _ {\ text {(f)}} + \ underbrace {\ nu \, \ nabla \ cdot \ nabla {\ boldsymbol {u}}} _ {\ text {(g)}},}

con

• (a): aceleración temporal
• (b): aceleración convectiva
• (c): Fuerza de Coriolis debido a la velocidad angular. $${\ displaystyle {\ boldsymbol {\ Omega}}}de la rotación de la tierra
• (d): Coriolis – Fuerza Stokes
• (e): gradiente de la presión aumentada
• (f): Craik – Leibovich fuerza de vórtice
• (g): fuerza viscosa debido a la viscosidad cinemática. $${\ displaystyle \ nu}

La fuerza de vórtice CL se puede obtener por varios medios. Originalmente, Craik y Leibovich utilizaron la teoría de la perturbación . Una forma fácil de derivarlo es a través de la teoría de la media lagrangiana generalizada . ^[1]También se puede derivar a través de una descripción de la mecánica hamiltoniana .