Valovanje

Poletje je čas za morje. Tokrat sem se s hčerjo odpravila s trajektom v Grčijo. Med plovbo sem se nagnila čez ograjo in zagledala v valove, ki jih je ustvarjala velika ladja, in se spomnila neke druge vožnje, z nekim drugim trajektom, pred davnimi leti. Takrat sem bila jaz tista, ki je imela »velike« počitnice med koncem srednje šole in začetkom študija in sem šla (še zadnjič) s starši na morje. Spomnim se, da sem stala na palubi trajekta na Cres in opazovala valove, njihovo oddaljevanje od ladje, belo penjenje vode ... in razmišljala, ali in kako dobro se jih da razumeti in opisati s fizikalnimi in matematičnimi zakoni. Na neki osnovni ravni je bilo njihovo gibanje predvidljivo, njihovo vrtinčenje pa je vsebovalo precej naključnosti.

Med študijem fizike sem v naslednjih letih izvedela več o fizikalnem opisu valovanja tekočin, a to je bil glede na obsežnost teme neizogibno le njen zelo majhen del. Morje se mi je, kot verjetno marsikomu, še naprej zdelo izredno zanimivo. Ne samo dogajanje v vrhnjih plasteh, pač pa tudi mik njegovih neraziskanih, temačnih globin – ki konec koncev niti ni tako zelo drugačen od čara skrivnostnih globin vesolja, ki jih raziskujemo astrofiziki.

Sem si pa iz časa študija zapomnila nekaj osnovnih lastnosti morskih valov in odgovorov na vprašanja, ki so se mi zastavljala na tisti davni vožnji s trajektom: kaj jih, poleg plovil, povzroča? Če jih veter, zakaj se gibljejo proti obali tudi, kadar veter piha vstran od nje? Zakaj se v plitvini zvišajo in zakaj se včasih na vrhu spenijo, včasih pa tudi lepo prelomijo?

Morje nikoli ne miruje. Veliko večino valov povzročajo vetrovi daleč na odprtem morju. Smer potovanja valov pa ni nujno smer vetra, saj veter ne potiska valov horizontalno kot kakih majhnih jadrnic, pač pa ustvari spremembe zračnega tlaka nad morsko gladino, ki povzročijo premike vode pretežno gor in dol – v vertikalni smeri. Lahko si predstavljamo, kot da se vodna gladina naguba, motnja (valovi) pa se, če je veter omejen na neko lokalno območje, razširja s tega območja po gladini v vse smeri. Podobno kot krožni valovi, ki nastanejo, ko v vodo vržemo kamen. In ker valovi nastajajo na odprtem morju, potujejo vedno proti obali, ne pa vstran od nje.

Hitrost valov je odvisna od valovne dolžine (razdalje med vrhoma sosednjih valov) in globine vode. V globoki vodi (to pomeni globlji od valovne dolžine) hitrost potovanja valov ni odvisna od globine. Tam val dna ne občuti, saj v globini, večji od približno polovice valovne dolžine, valovanja skoraj ni več čutiti. Je pa hitrost odvisna od valovne dolžine: večja ko je, hitrejši so valovi.
V plitvi vodi, ki je globoka manj, kot znaša polovica razdalje med valovi, vpliv valovanja sega vse do dna. Hitrost valov v plitvi vodi je odvisna od globine: ko se val približuje položni obali, se mu hitrost manjša in s tem tudi valovna dolžina. Zaradi ohranitve energije pa val postaja vse višji. Spodnje dele vode v njem dno bolj zaustavlja kot zgornje, zato zgornji prehitevajo, kar se odraža v vedno bolj spremenjeni obliki grebena vala. Če greben postane nestabilen in turbulenten, se na vrhu zapeni. Ob ustreznih pogojih pa lahko postane navpičen in se celo ukrivi naprej ter se zaradi sile teže prelomi. To so tisti lepi valovi, ki jih slišimo bučati.

Če združimo lastnosti valovanja v globoki in plitki vodi, lahko razumemo rušilno moč cunamija. Ta nastane kot nizek val (višina vala je lahko zgolj nekaj centimetrov) v globoki vodi, zaradi premika morskega dna. Ima zelo veliko valovno dolžino in se zato z ogromno hitrostjo (več sto km/h) približuje obali. Ko se globina postopoma niža, se hitrost manjša, zato pa višina vala močno naraste.

Če pozabimo na rušilno moč valovanja, so valovi tudi zabavni. Ko butnejo ob plažo, se zaslišijo razigrani vzkliki in smeh. Vsaj med otroki in tistimi, ki smo še vedno malo otročji. Vznemirjeno pričakujemo naslednji visok val, s kančkom strahu: »Kaj bo?« in potem, kljub pričakovanju ... presenečenje! Najboljši scenarij je sledeč: najprej visok val, ki te dvigne in na svojem vrhu ponese k obali, nato malo zlovešči srk nazaj ... nabiranje vode za hrbtom ... in nato še višji val, ki te butne proti obali, zalije čez glavo, ujame v svoje vrtince in zaluča na pesek ... Ne vem, zakaj (to bi znali povedati psihologi) nam je to tako zelo zabavno in si kot majhni otroci takoj zaželimo: »Še enkrat, še enkrat!«

Valovi so torej lahko grozeči, zabavni, a če se vrnem k fiziki: lahko so vir energije. Valovi ne prenašajo vode (kot je morda videti na prvi pogled; deli vode se pri valovanju večinoma premikajo le gor in dol), ampak energijo. Izkoriščanje energije valovanja za pridobivanje električne energije je le eden od načinov za pridobivanje energije iz morja. Drugi načini so še izkoriščanje energije plimovanja, morskih tokov in toplotne energije morja. Oceani in morja pokrivajo okrog 70 odstotkov površine Zemlje in so največji shranjevalnik energije Sonca. Po ocenah naj bi bilo v oceanih shranjenih več kot 100.000 teravatnih ur energije na leto, kar bi zadostilo okoli 70 odstotkom celotne svetovne porabe energije! Primeri v svetu obstajajo (plimska elektrarna v Južni Koreji z močjo približno tretjine jedrske elektrarne Krško). A čeprav gre za obnovljiv vir energije, zaradi visokih začetnih vložkov in nizke dobičkonosnosti takih elektrarn težko pričakujemo velik razmah pri izkoriščanju energije morja v bližnji prihodnosti. Morda pa v času prihodnjih generacij, teh, ki se zdaj med opazovanjem valov (še zadnjič) vozijo na počitnice s starši.

***
Andreja Gomboc, dr. fizike, profesorica astronomije na Univerzi v Novi Gorici, urednica Portala v vesolje

Prispevek je mnenje avtorja in ne izraža nujno stališča uredništva.