לעלות על הגל

לכאורה כולנו מכירים את תנועתם של גלי מים. הרי אנחנו פוגשים אותם מכל עבר: הם נשברים על החוף בים התיכון, מתפשטים באדוות בבריכות ובשלוליות, ואנחנו אפילו מדמיינים סערות בכוס מים כשאנחנו רוצים להמעיט בחשיבותה של שערורייה חולפת. ועדיין, אפילו כיום, תופעה הגלים מרתקת פיזיקאים מסביב לעולם.

לא הכול מובן במערכת המורכבת הזו, שבה מים מתקדמים ונסוגים לפי תבניות, בהשפעת כל כך הרבה גורמים: רוח, לחץ, טמפרטורה, כוח הכבידה. כל אלה "רוקעים בשמחה ברגליים מפזזות, צוחקים, מתקוטטים ומזמרים", אם נאמץ את הדימוי החינני שכתב אמנון דנקנר בספרו "מגע הקסם של הבל גאגין". ואנחנו עדיין מנסים להבין למה ומדוע.

אחת השאלות החשובות שמתעוררות כשעוסקים בגלים היא איך אפשר לשלוט בגובה שלהם. לפעמים אנחנו מבקשים לרסן אותם, כפי שעשו למשל לפני שנה חוקרים שביקשו לבנות את שובר הגלים המושלם. כעת, במובן מסוים, נספר על ההפך הגמור: אילו תנאים צריכים להתקיים כדי שנקבל גלים גבוהים במיוחד?

על כך מנסה להשיב מאמר שהתפרסם לאחרונה בכתב העת Nature. חוקרים מבריטניה, צרפת והולנד – ארצות עתירות מים – תהו מהו הגובה המרבי שאליו יכולים להגיע גלים שפוגשים זה את זה, בטרם הם נשברים ומאבדים אנרגיה?

אילו תנאים צריכים להתקיים כדי שנקבל גלים גבוהים במיוחד? גלי ענק בגובה עשרים מטרים בפורטוגל |  aleksey snezhinskij, Shutterstock

מעל ומעבר לתחזיות

נתחיל מהסוף: התשובה המפתיעה היא שהגובה הזה גדול פי ארבעה ממה שהניחו עד כה. המספר שהיה מקובל עד עכשיו התבסס על ניתוח דו-ממדי של המערכת הגלית. השימוש במודל דו-ממדי לא היה מופרך ביסודו, שכן לעיתים קרובות קל הרבה יותר לדמות מערכות פיזיקליות בשני ממדים במקום שלושה, ומניחים שהממד השלישי אינו נחוץ להבנת העקרונות הפיזיקליים. לאחר מכן, כמו שקורה לפעמים במדע, מנסים לשים את הקירובים בצד ולפתור בכל זאת בשלושה ממדים. במקרה הנוכחי המעבר הזה הביא עימו הפתעה.

החוקרים ביקשו לחקור את גלי האוקיינוס – שם הקירוב הדו-ממדי לא טוב מספיק, כי כיווני המהירות של הגלים הללו הם גם לאורך וגם לרוחב, ולא רק לאורך. שימו לב לנקודה העדינה הזאת – מספר הממדים שלפיהם אנחנו מגדירים את הגל נובע ממספר כיווני המהירות, בצירוף עם גובה הגל עצמו, שמגדיר ממד נוסף. עקב הרוחות באוקיינוסים, ובמיוחד סערות אימתניות כמו הוריקנים, גלים עשויים להגיע משלל כיוונים וליצור גלים חדשים. אם נדמיין מערכת צירים שצפה על פני המים, כיוון המהירות של הגלים הללו לא יהיה לאורך ולא לרוחב, אלא משהו בין לבין.

מהממצאים החדשים, שהתבססו על הערכה מדוקדקת של נתונים ניסויים, עולה כי כשגלים תלת-ממדיים נפגשים זה עם זה, הם מגיעים לגובה כפול מזה של גלים דו-ממדיים בעלי מאפיינים דומים. הגל הגדול שנוצר אינו דועך מיידית ונשבר: הוא ממשיך לגבוה ולאסוף בדרכו עוד ועוד מים, עד שהוא גבוה פי ארבעה מהגל שחושב במודל הדו-ממדי.

בריכת הגלים FloWave שבה נערכו הניסויים

שביל הבריכה

הניסויים בוצעו בבריכת הגלים FloWave, שיוצרת גלים שמגיעים מכמה כיוונים. לדברי מנהל הניסויים בבריכה, תומס דייווי (Davey) מאוניברסיטת אדינבורו, "המשימה המרכזית של FloWave היא לשחזר את המורכבות של הים האמיתי בקנה מידה מעבדתי. המחקר הזה מציב רף חדש לשימוש ביכולות הרב-ממדיות של בריכת הגלים, במטרה להתמקד בהתנהגויות החשובות של שבירת הגלים הזו".

"בין שנרצה ובין שלא, במציאות גלי מים נוטים להיות יותר תלת-ממדיים מאשר דו-ממדיים. בשלושה ממדים יש יותר דרכים שבהן גלים יכולים להישבר", מוסיף פרדריק דיאס (Dias), שהיה מעורב במחקר. עמיתו טון ון-דן-ברמר (Bremer) מאוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה, החוקר הראשי במאמר, מדגיש שמדובר בהפתעה: "כשגלים רגילים נשברים הם יוצרים קצף לבן, שמעיד כי אין דרך חזרה (דהיינו, הגל לא יכול לגבוה עוד; י"ב), אך במקרה שבחנו, הגל יכול להמשיך ולגדול".

למה זה חשוב, מעבר לעצם סיפוק הסקרנות? אחת הסיבות החשובות היא שגובה הגלים באוקיינוס ממלא תפקיד חשוב בעיצוב קו החוף. ומשמעותי לא פחות – מדובר במרכיב שמשתתף גם בחיזוי מזג אוויר ובבניית מודלים של האקלים. לכך עלינו להוסיף עוד שתי עובדות חשובות: ראשית, שבירת גלי המים היא שחקן מפתח בערבול פני הים ובהחדרת חמצן ופחמן דו-חמצני למים; ושנית, הגלים הללו לוקחים חלק בהנעת חומרים על פני האוקיינוס, כגון פיטופלנקטון ומיקרופלסטיק. הרי לכם שפע של סיבות להתעניין בהם.

החשיפה הרבה שהמאמר זכה לה עשויה להשפיע גם על מתכננים ומהנדסים שאחראים על מפעלי בנייה בקרבת החוף. עקב הנוחות של המודלים הדו-ממדיים, הם נוטים לא פעם להתעלם מהממד הנוסף, כשהם מציבים תוכנית לטורבינה או למבנה אחר הממוקם על שפת האוקיינוס. זה האזור שבו נשבר חלק ניכר מהגלים התלת-ממדיים, ואיש לא רוצה שגל גבוה מהצפוי יתנפץ על החוף ויסב נזק רב. תמיד כדאי להתכונן ולא להתעלם מכל ממדי הבעיה.