איך נוצרים גלים בים?

"הנה בא עוד גל גדול, זהירות רק לא ליפול", שר דני סנדרסון לכל הגולשות והגולשים בים. אחת מתופעות הטבע הנפוצות והמוכרות ביותר היא היווצרות של גלי ים על ידי רוחות ומשבי אוויר, אבל מסתבר שלמרות שהתופעה המוכרת נחקרת כבר כ-150 שנה - עד היום לא נמצא עדיין המודל המתמטי המושלם שיתאר את תהליך המנגנון במלואו ויאומת בניסוי. חוקרים מאוניברסיטת תל אביב פיתחו מודל תאורטי חדשני וראשון מסוגו אשר שופך אור על התעלומה. המודל נועד להסביר את תהליך יצירת הגלים והוא נבחן בסדרת ניסויים מורכבים שבוצעו לאורך תקופה ארוכה. מסקנות המחקר פורץ הדרך יסייעו בפיתוח כלים לחיזוי אקלימי וליכולת ניבוי של תנועת מזהמים על פני המים.

אוסף של תדירויות

גלים מכניים ובכלל זה גלי מים, ניתנים לתיאור כאוסף של תדירויות, ממש כפי שניתן לפרוט מנגינה לתווים ולהרמוניות. המודלים הנפוצים ביותר כיום מתחשבים בגידול של הרמוניה בודדת, הבלתי יציבה ביותר, ומניחים שההתפתחות המרחבית שלה אחידה. המודל החדש שמציעים החוקרים מתחשב בכל ההרמוניות הבלתי יציבות ובמגבלות החלות עליהן, בהן מגבלת שבירה של הרמוניות תלולות מאוד, דעיכה הדרגתית כתוצאה מהסתרה של הרמוניות נמוכות על ידי גלים גבוהים יותר ומגבלת זמן התפתחות מרחבי. בכך, התאוריה החדשה מאפשרת לתאר את הסיטואציה הפיזיקלית באמינות גבוהה, בהשוואה למודלים הקודמים.

החוקרים שהובילו את המחקר הם פרופ' לב שמר וד"ר מיטל גבע ממעבדת גלי המים בבית הספר להנדסה מכנית שבפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters.

"התפתחות גלי רוח על פני המים היא תופעה מורכבת. אחת הסיבות להיעדר תאוריה כוללת של התהליך נובעת ממחסור בתוצאות ניסיוניות מפורטות. מדידות שדה גלים ורוח בים מוגבלות מאוד, בעיקר בשל חוסר היכולת לשלוט בתנאי הסביבה וקושי לבצע ניסויים בים הפתוח, אפילו בקרבת החוף", מסבירה ד"ר גבע. "במעבדת הגלים בבית הספר להנדסה מכנית קיימת מערכת ניסוי ייחודית ואוטונומית לבחינת האינטראקציה בין המים לרוח ומערכת זו מאפשרת איסוף של מידע מקיף על ההתנהגות במרחב ובזמן של פני המים תחת משטרי רוח שונים".

התגברו על הקושי התיאורטי

הבעייתיות המובנית בתורות הקודמות, ששימשו את החוקרים בתחום זה במשך כ-65 שנה, נובעת מההנחות הרבות עליהן הן התבססו וחוסר היכולת שלהן להתממש בצורה כמותית, מה שהגביל עד מאוד את יכולת החיזוי הפיזיקלית. החוקרים מוסיפים כי הקושי התאורטי שהיה קיים בפיתוח מודל שלם נבע מכך שבמים נוצרות צורות ותבניות דינמיות סבוכות שמגיבות אחת עם השנייה ומאופיינות במידה רבה של אקראיות בזמן ובמרחב התלת ממדי. כמו כן, מעורבים בבעיה שלל כוחות מכניים כמו כבידה, צמיגות ומתח פנים, ויש לקחת בחשבון את מעברי האנרגיה והתנע בין האוויר למים –  סוגיה לא טריוויאלית כלל במכניקת הזורמים.

"במחקר זה אנחנו משתמשים לראשונה במשוואות מדויקות ובשיטות מקובלות מתחום המכניקה סטטיסטית על מנת לנתח את התהליכים האקראיים והלא-ליניאריים שמתרחשים בעת היווצרות הגלים. למעשה, המודל המוצע הוא היחיד שמאפשר תיאור בזמן ובמרחב של שדה הגלים החל ממצב של פני מים חלקים ועד למצב סופי הקבוע בזמן, וחשוב מכל – זהו המודל הראשון שאומת באופן מלא מול תוצאות ניסיוניות ומתאר את התהליך לא רק איכותית, אלא גם כמותית", מפרטת ד"ר גבע על המודל החדש ויישומיו.

לחזות את תנועת הזיהום בים

"היווצרות גלי רוח היא תוצאה של אינטראקציה הדדית בין האוקיינוס לאטמוספירה ולכן יש לתהליך השפעה מכרעת על מעבר מסה, תנע ואנרגיה בממשק פני המים. בהתבסס על כך, אנו סבורים כי התיאור המוצע הוא צעד חשוב בשיפור במודלים לחיזוי מזג אויר בטווח קצר ושינוי אקלימי בטווחי זמנים ארוכים יותר. כמו כן, הבנת האינטראקציה תאפשר הערכה של תנאי סביבה המשפיעים על החיים בים ויכולת ניבוי של תנועת מזהמים על פני המים. עם המסקנות מהמחקר ניתן ללכת צעד אחד קדימה בתחומים הללו, שחשיבותם הולכת וגוברת בעידן משבר האקלים בו אנו חיים. מעבר לכך, תמיד נהדר לפתור תעלומות במדע ואנחנו שמחים על התוצאות", מסכמת ד"ר גבע.

יצוין כי מעבדת גלי המים בראשות פרופ' לב שמר משמשת מזה שנים גם לאימות של מודלים מתחומי דעת נוספים בהנדסה ובפיזיקה, בהן מספר תגליות חדשות שפורסמו לאחרונה כגון מיקוד חושך בדומה למיקור קרני אור, וכן מוליך גלים מסוג חדש, שתיהן פרי עבודתו של פרופ' עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל.

ד"ר מיטל גבע ופרופ' לב שמר