Bølger og tidevann er blant de mest synlige uttrykkene for havets energi.
De påvirker kystlandskapet, skipstrafikk, klima og økosystemer – og representerer samtidig en betydelig energikilde.
I dette kapitlet ser vi på hvordan bølger og tidevann oppstår, hvordan de beveger seg, og hvordan de inngår i større prosesser i jordsystemet.
Vi ser også på hvordan denne kunnskapen brukes i modellering, værvarsling og bærekraftig energiproduksjon.
17.1 Bølger – energi i bevegelse
Hvordan bølger oppstår
Havbølger dannes primært når vind overfører energi til havoverflaten gjennom friksjon. Når vinden blåser over vannoverflaten, oppstår det friksjonskrefter mellom luften og vannet som setter vannpartiklene i bevegelse. Det som er viktig å forstå er at det ikke er vannet som beveger seg horisontalt over store avstander, men energien som forplanter seg som en bølgebevegelse. Vannpartiklene følger tilnærmet sirkulære baner, der de beveger seg fremover i bølgetoppen og bakover i bølgedalen.
Størrelsen på bølger avhenger av tre hovedfaktorer: vindstyrken, hvor lenge vinden har blåst (varighet), og den avstanden vinden blåser over åpent hav (fetch). Jo større disse tre faktorene er, jo større blir bølgene. De største bølgene i verden finnes i havområdene utenfor Norge, der sterke vinder kan blåse over store avstander i Nordsjøen og Norskehavet (Amundsen, 2018). Brytende bølger kan bli høyere enn bølger på åpent hav, det kommer vi tilbake til senere.
Bølger kan også oppstå ved andre mekanismer enn vind. Jordskjelv under havbunnen skaper tsunamier, tidevann genererer tidevannsstrømmer, og selv hurtige lufttrykksendringer kan skape atmosfæriske bølger.
Bølgeparametere og energi
De viktigste størrelsene som beskriver en bølge er:
- Bølgelengde (λ): avstanden mellom to bølgetopper.
- Bølgeperiode (T): tiden det tar for to bølgetopper å passere et fast punkt.
- Bølgefart (c): avstanden bølgen beveger seg per tidsenhet, gitt ved
\[ c = \frac{λ}{T} \tag{17.1}\] - Bølgeamplitude (a): høyden fra likevektslinjen til bølgetoppen.
- Bølgehøyde (H): avstanden mellom topp og bunn (≈ 2a).
Et kritisk forhold å forstå er at bølgeenergien er proporsjonal med kvadratet av bølgehøyden (H²). Dette betyr at små endringer i bølgehøyde resulterer i dramatiske endringer i energiinnholdet. En bølge som er dobbelt så høy, inneholder fire ganger så mye energi (Norsk Kystvarslingssenter / Norwegian Coastal Forecasting Centre, n.d.).
Dype og grunne bølger
Bølgers oppførsel endres dramatisk avhengig av forholdet mellom vanndybden og bølgelengden.
Dype vannbølger opptrer når vanndybden er større enn halvparten av bølgelengden (d > λ/2). I dette tilfellet påvirkes ikke bølgebevegelsen av havbunnen, og partikkelbanene er nesten perfekte sirkler. Bølgefarten avhenger kun av bølgelengden:
\[ c = \sqrt{\frac{gλ}{2π}}\]
Lange bølger beveger seg raskere enn korte.
Grunne vannbølger oppstår når vanndybden blir mindre enn 1/20 av bølgelengden (d < λ/20). Her blir partikkelbanene ovale og trykkes sammen mot bunnen. Bølgefarten avhenger nå av vanndybden:
\[c = \sqrt{gd}\]
Når bølger beveger seg inn på grunnere vann, avtar farten, bølgelengden blir kortere, og bølgehøyden øker. Til slutt blir bølgen så bratt at den bryter, og denne sonen kalles surfsonen. Den enorme energien som frigjøres når bølger bryter, er en av de viktigste kreftene bak kysterosjon.
Når bølger møtes – interferens
Når to eller flere bølger møtes, oppstår interferens. Dette kan være konstruktiv interferens, der bølger forsterker hverandre når de er i fase, eller destruktiv interferens, der de svekker eller kansellerer hverandre når de er i motfase.
Interferens kan skape uforutsigbare og ekstreme bølgehøyder. Det som kalles “monsterbølger” kan oppstå når flere bølger interfererer konstruktivt og skaper enkeltbølger som er betydelig høyere enn den signifikante bølgehøyden i området. En monsterbølge, eller en freak wave, er en bølge som er minst 2,2 ganger høyere enn den signifikante bølgehøyden. Altså en enkeltbølge som ikke bare er stor, men unormalt stor (Amundsen, 2018).
Bølger gjennomgår også refraksjon (bøying) når de treffer grunne områder skrått, og de kan reflekteres mot bratte klipper. Dette forklarer hvorfor bølgeenergi ofte konsentreres mot nes og odder, mens bukter får mindre bølgepåvirkning. Dette har stor betydning for kysterosjon og sedimenttransport.
Brytende bølger - surf!
Brytende bølger oppstår når en bølge blir så bratt at den ikke lenger kan holde formen sin, og toppen av bølgen kollapser fremover. Dette skjer vanligvis når bølgehøyden blir for stor i forhold til bølgelengden (over ca. 1:7), eller når bølgehøyden utgjør mellom 60 og 80 prosent av vanndybden. Når bølger nærmer seg grunt vann, vil farten avta, bølgelengden bli kortere og bølgehøyden øke, noe som gjør bølgen stadig brattere til den til slutt bryter. Under brytningen frigjøres mye energi, det dannes kraftig turbulens, og vannmassene settes i bevegelse mot land. Brytende bølger er derfor avgjørende for erosjon, transport av sedimenter og dannelse av undervannsstrømmer i strandsonen.
Oppgave 17.1 (Forklaringsppgave:) Forklar hvorfor en bølge endrer form og til slutt bryter når den kommer inn mot en strand.
Oppgave 17.2 (Analyseoppgave:) Se på en globus. Hvor på jorden vil du forvente å finne de aller største bølgene? Begrunn svaret ditt med utgangspunkt i faktorene som bestemmer bølgestørrelse.
17.2 Tidevann – månenes og solens trekkraft
Tidevann er en naturlig variasjon i vannstand i havet mellom flo og fjære. Den laveste vannstanden kalles fjære, og den høyeste vannstanden kaller vi flo. Tidsrommet mellom to høyvann (flo) og to lavvann (fjære) er omtrent 12 timer og 25 minutter, og de største variasjonene får vi rundt nymåne og fullmåne, da kaller vi det for springflo. Omtrent 7 dager og 6 timer før springflo har vi de minste variasjonene, og det kalles for nippflo.
Typer tidevann
- Springflo: når sol og måne står på linje (ny- og fullmåne) og kreftene virker sammen.
- Nippflo: når sol og måne står i rett vinkel (halvmåne), og kreftene delvis opphever hverandre.
Forskjellen mellom flo og fjære varierer geografisk, avhengig av havbassengenes form, dybde og topografi.
Grunnleggende årsak
For å forstå tidevannet fullt ut, så må man forstå hva gravitasjon er. Dere som har hatt Fysikk har lært om Newtons gravitasjonslov.
Gravitasjonskraften avtar med kvadratet av avstanden. Selv om solen har en mye større masse enn månen, er månen så mye nærmere jorden at dens tiltrekningskraft varierer mer over jordas diameter. Det er denne variasjonen i gravitasjonskraft – ikke den absolutte styrken – som skaper tidevann
La oss se på jorden og månen:
Gravitasjonskreftene \(F_g\) er sterkest nærmest månen, når \(r\) er minst:
\[ F_g = G\cdot\dfrac{m_{jord}\cdot m_{måne}}{r^2} \]
I tillegg til gravitasjonskreftene opplever vi en treghetskraft på jorden som skyldes at jorden og månen roterer rundt et senter. Denne treghetskraften kalles gjerne sentrifugalkraft og er en fiktiv kraft. Sentrifugalkraften er lik på hele kloden.
Figur 17.2 viser hvordan det blir krefter som trekker vannet ut fra jordoverflaten på linjen som går gjennom jordens og månens sentrum, mens kreftene virker inn mot jordoverflaten på de punktene som er lengst vekke fra denne linjen. Dette fører også til at vannet buler ut på begge sider av jorden samtidig.
Solen
Solen bidrar også med sin gravitasjon.
Tidevannsbølger
De variasjonene vi har sett på over er det vi kaller “likevektstidevann”, og er en forklaring på hvordan tidevannet ville sett ut om hele jordkloden var dekket av hav. De store landkontinentene på kloden vil bryte opp tidevannet i ulike havbølger som har en typisk bølgelengde på 1000 kilometer. Disse tidevannsbølgene vil ha en periode som er typiske for likevektstidevannet.
Geografisk variasjon i tidevann
Tidevannsforskjellene varierer enormt geografisk på grunn av havbassengenes form, dybde, batymetri og topografi. Det globale gjennomsnittet er rundt en meter, men enkelte steder som Fundybukta i Canada kan ha tidevannsforskjeller på opptil 16 meter. Dette skjer når tidevannsbølgen kommer i resonans med bassengenes naturlige svingningsperiode.
I Norge varierer tidevannsforskjellene fra omkring 0,6 meter i Bergen til 1,2 meter i Bodø. Dette skyldes hvordan tidevannsbølgen forplanter seg nordover langs kysten med en hastighet på 400-500 km/t.
Amfidromiske punkt
Tidevannsbølgene vil forsterke hverandre noen steder, og andre steder vil bølgene være i motfase og slokke hverandre ut. Dette fører til at vi har noen steder på jorden der vi har svært store tidevannsforskjeller, og andre steder hvor det nesten ikke er tidevannsforskjeller i det hele tatt. Disse punktene kaller vi amfidromiske punkt. Hvis vi tegner linjer gjennom de stedene som har høyvann samtidig, så møtes disse linjene i de amfidromiske punktene.
Gjennomsnittlig tidevannsforskjell globalt sett er omtrent 1 meter. Det finnes noen steder på kloden som har langt større tidevannsforskjeller, i Bay of Fundy i Canada er forskjellene opp mot 16 meter! Bukter og viker kan forårsake at tidevannet noen steder kan bli veldig høyt.
Tidevannsstrømmer
Tidevannsstrømmer er strømmer som skyldes tidevannet. Tidevannsstrømmene varierer mye mer enn tidevannsforskjellene rundt omkring på kloden. Tidevannsstrømmene er sterkest nær kysten, spesielt i sund som leder inn i fjorder eller større bukter. Hvis det er et smalt sund inn i en fjord, så kan tidevannsstrømmene bli ganske kraftige. Vi har ganske mange kraftige tidevannsstrømmer langs norskekysten. Verdens kraftigste tidevannsstrøm finnes også i Norge - Saltstraumen.
Noen steder oppstår det et spesielt fenomen som på engelsk kalles “tidal bore”. Se videoen under:
17.3 Modellering og observasjon
Moderne forståelse og varsling av bølger og tidevann er avhengig av gode observasjonssystemer og numeriske modeller.
Observasjonssystemer inkluderer:
Bøye- og radarstasjoner som måler bølgehøyde, periode og retning
Tidevannsmålere som registrerer vannstand kontinuerlig
Satellitter med altimetri som måler havoverflatens høyde globalt
Numeriske modeller bygger på fundamentale fysiske lover som Navier-Stokes-ligningene og grunnvannsligninger (shallow water equations). Disse modellene tar hensyn til vindfelt, havbunnstopografi og Corioliskraft, og brukes til:
Varsling av stormflo og ekstrembølger
Planlegging av kystinfrastruktur
Klimamodellering av havets energiutveksling
17.4 Kystprosesser og forming av landskapet
Bølger og tidevannsstrømmer er blant de viktigste kreftene som former kystlandskapet. Bølgeerosjon oppstår når bølgeenergi treffer kysten og gradvist bryter ned berggrunn og løsmasser. Over tid kan dette skape dramatiske landformer som klipper, kystgrotter og rauker.
Sedimenttransport skjer når bølger og strømmer transporterer sand og grus langs kysten. Langs kysten oppstår det langgrunnstrøm parallel med stranden når bølger treffer på skrå. Denne strømmen kan transportere enorme mengder sediment og bygge opp landformer som sandbanker, tomboloer og strandvoller.
Forholdet mellom erosjon og avsetning avgjør om en kyst er en erosjonskyst (der materiale fjernes) eller en avsetningskyst (der materiale akkumuleres).
Erosjonskyster er kjennetegnet ved at materiale fjernes. Her dominerer harde bergarter, og bølgenergi formes landskapet til klipper, svaberg og bølgeeroderte plattformer. Over tid kan erosjon isolere deler av en klippe og danne rauker (sea stacks) og havbuer (sea arches).
Avsetningskyster er kjennetegnet ved at materiale akkumuleres. Her bygger bølger og strømmer opp landformer. Når bølger treffer stranden på skrå, settes det opp en langgrunnstrøm parallelt med kysten. Denne strømmen transporterer store mengder sand. Der kysten endrer retning, kan denne sanden avsettes og danne sandbanker (spits). Hvis en sandbanke vokser helt over en bukt, kalles den en baymouth bar. En tombolo er en landtunge av sand som forbinder en øy med fastlandet.
17.5 Bølger og tidevann i jordsystemet
Bølger og tidevann er ikke isolerte fenomener, men integrerte deler av jordsystemets energisyklus. Bølger overfører energi fra atmosfæren til havet, mens tidevann overfører energi fra jord-måne-systemets gravitasjons- og rotasjonsenergi til havet. Begge prosesser påvirker sedimenttransport, erosjon og kystprosesser, og dermed også geosfæren.
Dette kapitlet har vist hvordan bølger og tidevann representerer fundamentale fysiske prosesser som knytter sammen atmosfære, hydrosphere og geosfære i et komplekst system av energioverføring og landskapsforming. Forståelsen av disse prosessene er ikke bare vitenskapelig interessant, men også praktisk viktig for samfunn som lever nær havet.
Bruk data fra Meteorologisk institutt eller NVE for å sammenligne målt vannstand, bølgehøyde og vindstyrke i et kystområde over en uke.
Diskuter hvordan observasjonene gjenspeiler samspillet mellom vær, bølger og tidevann.
Oppgave 17.3 (Praktisk oppgave:) Finn en tidevannstabell for et sted nær deg (f.eks. på www.kartverket.no/sehavniva). Sammenlign datoene for springflo med månefasene for den samme perioden. Stemmer teorien?
Oppgave 17.4 (Identifiseringsoppgave:) Se på et bilde av Jærkysten og et bilde av kysten i Lofoten. Hvilken av disse vil du primært klassifisere som en erosjonskyst og hvilken som en avsetningskyst? Begrunn svaret.
Oppgave 17.5 (Forklaringsppgave:) Forklar prosessen med langgrunnstransport og hvordan den bidrar til å bygge opp en sandbanke (spit).
Oppgave 17.6 (Drøftingsoppgave:) Mange steder bygger man moloer eller groynes (korte moloer vinkelrett på stranden) for å hindre at strender vaskes bort. Drøft hvilke positive og negative konsekvenser en slik konstruksjon kan ha for kystlinjen.
Tidevannsbølge i elv
Noen få steder i verden kan det oppstå en helt spesiell bølge oppover i noen elver. Se gjerne videoen under.