คลื่นมหาสมุทร (Ocean Waves)
คำนำ
จากหลักฐานการศึกษาในอดีตปรากฏว่า Leonardo da Vinci เป็นคนแรกที่เริ่มศึกษาในปี ค.ศ.1480 ปัจจุบันก็ยังคงศึกษากันอยู่ เพราะมนุษย์ซึ่งส่วนใหญ่มีถิ่นฐานอยู่ใกล้ทะเล ได้อาศัยมหาสมุทรเป็นเส้นทางการคมนาคม และแหล่งอาหารตลอดมา คลื่นมีความสำคัญอย่างมากต่อระบบนิเวศน์ชายฝั่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งทางด้านธรณีวิทยาชายฝั่ง หาดทราย และลักษณะชายฝั่งที่ปรากฏให้เราเห็นในธรรมชาติ
คลื่นมหาสมุทรมีหลายรูปแบบ แล้วแต่หลักเกณฑ์ที่ใช้เป็นข้อกำหนด เช่น
1. คลื่นที่เคลื่อนที่ไปข้างหน้า ( progressive waves ) และอยู่กับที่ ( standing waves )
2. มองเห็นด้วยตา ( wind waves ) และมองไม่เห็น ( เช่น Internal waves , tides )
3. คลื่นสั้น ( short waves ) และคลื่นยาว (long waves)
4. คลื่นน้ำตื้น (shallow-water waves) และคลื่นน้ำลึก (deep-water waves)
5. คลื่นอิสระ ( free waves ) และคลื่นในควบคุม ( forced waves )
สาเหตุของการเกิดคลื่น คลื่นอาจเกิดขึ้นได้จากสาเหตุดังต่อไปนี้
1. ลม
2. แผ่นดินไหว ภูเขาไฟระเบิด แผ่นดินใต้น้ำถล่ม
3. แรงดึงดูดจากดวงอาทิตย์และดวงจันทร์
4. การเปลี่ยนแปลงความกดดันอากาศ
5. ข้อแตกต่างของความหนาแน่นระหว่างมวลน้ำชั้นบนและล่าง
6. เมื่อกระแสน้ำไหลผ่านพื้นท้องทะเลซึ่งไม่เรียบ
คลื่นที่ปรากฏให้เราเห็นเป็นประจำทุกวัน เป็นคลื่นที่เกิดจากลมเป็นส่วนใหญ่ (wind waves) ส่วนคลื่นที่เกิดจากสาเหตุอื่น เรามักจะมองไม่เห็นเพราะเกิดขึ้นในระหว่างชั้นของน้ำ (internal waves) หรือเป็นคลื่นที่มียอดคลื่นเตี้ยมาก และมีคาบของคลื่นยาวนานมาก (tides, tsunami) ในที่นี้จะได้กล่าวถึงคลื่นที่เกิดจากลมเป็นหลัก น้ำขึ้นน้ำลงเป็นคลื่นชนิดหนึ่ง มีความยาวคลื่นมากที่สุดประมาณ 20,000 กม. (ประมาณครึ่งหนึ่งของเส้นรอบวงโลก) และมีคาบของคลื่นนานมากประมาณ 12 วัน 25 นาที (ประมาณครึ่งหนึ่งของเวลาที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลก) เนื่องจากเกิดจากแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ ซึ่งมีต่อเนื่องกันตลอดเวลา คลื่นน้ำขึ้น-น้ำลงจึงไม่อิสระในการเคลื่อนที่ ต้องคล้อยตามแรงดึงดูดหรือคล้อยตามระบบการหมุนของโลก-ดวงอาทิตย์-ดวงจันทร์ เรียกคลื่นพวกนี้ว่า “คลื่นในควบคุม” (forced waves) ส่วนคลื่นที่เกิดจากแรงระเบิด แผ่นดินไหว แผ่นดินใต้น้ำถล่ม และภูเขาไฟระเบิด เป็นคลื่นอิสระ (free wave) หมายความว่า ครั้งหนึ่งเมื่อมีแรงมากระทำให้เกิดแล้ว คลื่นจะเคลื่อนที่ไปได้ตลอด ไม่ต้องมีแรงมากระทำหรือคอยผลักดันอีก คลื่นพวกนี้มีความเร็วสูงมาก และยอดคลื่นเตี้ยมากเมื่อเทียบกับความยาวคลื่น แรงดึงดูดของโลกจึงไม่ค่อยมีอำนาจในการฉุดลากหรือทำลาย ส่วนแรงฉุดที่เกิดจากแรงตึงผิว ก็มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับความเร็วคลื่น คลื่นเหล่านี้เป็นคลื่นขนาดใหญ่ (คาบของคลื่นมากกว่า 5 นาที) โดยธรรมชาติถือว่า เป็นการถ่ายทอด (propagate) ทั้งพลังงานและมวลน้ำ จึงมีแรงเสมือนเข้ามาเกี่ยวข้อง ส่วนคลื่นที่เกิดจาก ลม อาจเป็นทั้งคลื่นอิสระและคลื่นในควบคุม
ส่วนประกอบของคลื่น
คลื่นในอุดมคติและส่วนประกอบอื่น ๆ ในรูปที่ 1 มีส่วนประกอบดังต่อไปนี้
รูปที่ 1 แสดงส่วนต่างๆ ของคลื่น
(1) ส่วนที่สูงที่สุดของคลื่น (crest) ต่อไปนี้เรียกว่า ยอดคลื่น
(2) ส่วนที่ต่ำที่สุดของคลื่น (trough) ต่อไปนี้เรียกว่า ท้องคลื่น
(3) ระยะทางในแนวดิ่งระหว่างยอดคลื่นกับท้องคลื่น เป็นความสูงของคลื่น (wave height = H)
(4) ระยะทางในแนวราบระหว่างยอดคลื่นยอดแรกกับยอดถัดไป หรือระหว่างท้องคลื่นท้องแรกกับท้องถัดไป เป็นความยาวคลื่น (wave length = L)
(5) เวลาที่ยอดคลื่น 2 ยอดหรือท้องคลื่น 2 ท้องหรือความยาวคลื่นผ่านจุดที่กำหนดให้ เรียกว่า คาบของคลื่น (wave period = T)
(6) จากคำจำกัดความในข้อ (4) เราสามารถหาความเร็วคลื่น (wave speed = C) ได้
เมื่อ C = ความเร็วคลื่น เมตร/วินาที
L = ความยาวคลื่น เมตร
T = คาบของคลื่นเป็นวินาที
(7) ขนาดของยอดคลื่นวัดจากระดับน้ำทะเลเฉลี่ย (amplitude = a)
H = 2a
(8) ความถี่ของคลื่น ( wave frequency = 
)
= 2
/ T
(9) อนุภาคน้ำ ( particle ) จะเคลื่อนที่หมุนเป็นวงกลมตามผิวหน้าของคลื่น ด้วยความเร็ว
v=2
a/T=
H/T
(10) ความชันเป็นอัตราส่วนระหว่างความสูงของคลื่นกับความยาวคลื่น
steepness = H/L
รูปที่ 2 แสดงความสูงของคลื่นสัมพันธ์กับระยะเวลาที่ลมพัดต่อเนื่อง และระยะทางที่ลมพัดผ่านเมื่อลมมีความเร็ว 54 กม./ชม. จาก Oceanography by Gross , 1972.
ขนาดของคลื่น
คลื่นที่ปรากฏในธรรมชาติมีรูปร่างและขนาดแตกต่างกัน แล้วแต่มหาสมุทร เขตทางภูมิศาสตร์และฤดูกาล โดยหลักเกณฑ์เบื้องต้น ขนาดของคลื่นขึ้นอยู่กับ
1. ความเร็วลม (Wind speed = W)
2. ระยะทางที่ลมพัดผ่าน (Fetch = F)
3. ช่วงเวลาที่ลมพัดต่อเนื่องกันในทิศทางคงที่ (Duration = D)
ถ้าใช้คาบของคลื่น (T) และความสูงของคลื่น (H) เป็นเครื่องวัดขนาดของคลื่น เราอาจเขียนเป็นสัญลักษณ์ ได้ดังนี้
T , H = f ( W , F , D )
ในช่วงการเปลี่ยนแปลงฤดูกาล อากาศเหนือแผ่นดินและแผ่นน้ำมีลักษณะแตกต่างกัน มักทำให้เกิดลมหรือพายุที่มีความเร็วสูง ทะเลจะมีคลื่นขนาดใหญ่กว่าในเวลาปกติ คลื่นในทะเลเปิด (open sea) ที่ซึ่งมีระยะทางที่ลมพัดผ่านยาว (Fetch) ย่อมมีขนาดใหญ่กว่าคลื่นในทะเลปิด (lakes, bays และ marginal sea)
นักสมุทรศาสตร์หลายท่านได้พยายามคิดค้นสูตรความสัมพันธ์ระหว่างขนาดของคลื่นกับปัจจัยของลมทั้ง 3 ดังกล่าว พบว่า
เมื่อ
H = ความสูงคลื่นเป็นเมตร
W = ความเร็วลมเป็น เมตร/วินาที
F = ระยะทางที่ลมพัดผ่านเป็นกิโลเมตร
ชนิดและการเกิดของคลื่นเนื่องมาจากลม
ลมเป็นสาเหตุหลักที่ก่อให้เกิดคลื่นขึ้นในน้ำระดับผิวหน้า น้ำทะเลซึ่งมีความหนืด (viscosity) เมื่อถูกลมพัดผ่านน้ำผิวหน้า “จะยืด” ออกตามแรงลม แล้วจะ “หด” ตัวกลับ เพื่อรักษาสมดุลด้วยแรงตึงผิว (surface tension) ทั้งนี้น้ำก็มีลักษณะคล้ายวัตถุยืดหยุ่นอ่อน ๆ (elastic membrane) โดยการยืดและหดเนื่องจากแรงดังกล่าว ทำให้น้ำผิวหน้าโค้งขึ้นและโค้งลง (undulate) เกิดคลื่นขนาดเล็กขึ้นในที่สุด (ripples or wavelets) คลื่นขนาดเล็ก ๆ เหล่านี้ จะปรากฏให้เห็นเมื่อมีลมพัดเท่านั้น ถ้าลมหยุดพัดคลื่นเหล่านี้จะสลายตัวเกือบทันที พูดอีกแง่หนึ่งว่าเป็นคลื่นที่มีอายุสั้น ต่อเมื่อมีลมพัดต่อเนื่องกันเป็นเวลานานพอสมควร คลื่นเหล่านี้จะค่อย ๆ ขยายโตขึ้น เพราะผิวหน้าน้ำที่ “ขรุขระ” เนื่องจากมีคลื่นขนาดเล็ก ๆ ทำให้เกิดพื้นที่ผิวในส่วนที่จะรับลมเพิ่มขึ้น (ส่วนนูน) คลื่นที่ขยายโตขึ้นมีชื่อใหม่ว่า Sea หมายถึงคลื่นที่ยังอยู่ในบริเวณที่มีลมพัด มีความยาวคลื่นสั้นและยอดคลื่นผสม ผิวน้ำในตอนนี้สับสนวุ่นวายและเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ในระยะไกลเราจึงมักเห็นผิวน้ำ มีลักษณะเป็นหลุม เนิน เหลี่ยม คล้าย “เพชร” เหตุที่ปรากฏเช่นนี้เพราะว่า โดยธรรมชาติ ลมพัดด้วยความเร็วและทิศทางที่ไม่แน่นอน ในช่วงเวลาหนึ่งความเร็วและทิศทางอาจเปลี่ยนแปลงหลายตลบ นอกจากนี้ในบางครั้ง ลมยังเคลื่อนที่ในลักษณะหมุน เวียนซ้าย เวียนขวา แล้วแต่กรณี คลื่นขนาดเล็กอาจซ้อนอยู่ในคลื่นขนาดใหญ่กว่า คลื่นที่มีความเร็วกว่า เคลื่อนที่ทับคลื่นที่ช้ากว่า คลื่นชนกันสลายตัวบางส่วน ทำให้ส่วนที่เหลือมีทรวดทรงไม่สมประกอบ ฯลฯ
ต่อมา Sea ซึ่งมีหลายขนาดและมีความเร็วต่างกัน จะค่อย ๆ ปรากฏทรวดทรงให้เห็นชัดขึ้น กล่าวคือ พวกที่มีความเร็วมากว่าจะวิ่งล้ำหน้าพวกที่เคลื่อนที่ช้ากว่า นับว่าเป็นการแยกคลื่นหลายชนิดซึ่งเกิดพร้อมกันออกจากกันตามธรรมชาติ คลื่นที่แยกออกจากกันแล้วจะมียอดคลื่น (crest) และท้องคลื่น (trough) ดีขึ้นกว่าเดิม เรียกคลื่นในตอนนี้ว่า คลื่นใต้น้ำ (swell) หมายถึงคลื่นที่เกิดขึ้นนอกเขตลมพัด ยอดคลื่นเตี้ยมนกลมกว่าเดิมเล็กน้อย โดยธรรมชาติของคลื่น คลื่นที่ค่อย ๆ โตขึ้นในขณะที่มีลมพัดจะได้รับพลังงานจากลมเพิ่มขึ้น คลื่นจึงค่อย ๆ มีความเร็วเพิ่มขึ้น ในตอนแรกคลื่นเคลื่อนที่ช้ากว่าลม ต่อมาจะเท่ากับลม และในที่สุดจะเร็วกว่าลม ด้วยเหตุนี้คลื่นจึงเคลื่อนที่ออกนอกเขตที่มีลมพัดได้ ในธรรมชาติจึงเห็นคลื่นเคลื่อนที่นำหน้าลม หรือเคลื่อนที่เข้าหาฝั่งได้อย่างอิสระ โดยไม่มีลมพัดเลย จึงอาจเรียกคลื่นใต้น้ำ (swell)) ว่าเป็น free waves ในบริเวณที่มี คลื่นใต้น้ำ (swell) ผิวน้ำทะเลจะลดความสับสนและขรุขระมาก เริ่มมองเห็นคลื่นเคลื่อนที่อย่างเป็นระบบ คลื่นหลายขนาดและด้วยความเร็วต่าง ๆ กันจะเคลื่อนที่ตามหลังกันเป็นขบวน (wave train) หรือเป็นกลุ่มมีลักษณะเฉพาะ (system) คลื่นที่นำหน้าอาจรวมตัวเมื่อเข้าเขตที่มีความตื้น เช่น เกาะใต้น้ำ สันทรายใต้น้ำ ฯลฯ ในขณะที่คลื่นอายุน้อยจากแถวหลังจะวิ่งติดตามคลื่นที่หายไป โดยลักษณะนี้เราจะเห็นคลื่นตลอดเวลา
ในขณะที่ คลื่นใต้น้ำ (swell) เคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง จะมีแรงพวกหนึ่งคอยทำให้คลื่นเปลี่ยนแปลง ความสูงของคลื่นจะค่อย ๆ ลดต่ำลง ยอดคลื่นจะมนกลมขึ้นเรื่อย ๆ คลื่นที่มีอายุสั้น (ใกล้เขตลมพัด) ยอดคลื่นจะชันกว่าคลื่นที่มีอายุมาก (ห่างเขตลมพัด) แรงที่ว่าได้แก่ แรงตึงผิว (surface tension) และแรงดึงดูดของโลก (gravity) โดยหลักการแรงทั้งสองนี้จะพยายามทำให้ผิวหน้าน้ำคืนสู่สภาพปกติ (ราบ) คลื่นขนาดเล็กที่มีความยาวคลื่นมากกว่า 1.7 ซม. (โดยประมาณ) หรือเป็นคลื่นที่มีคาบนานตั้งแต่ 1 วินาที ถึง 4 นาที แรงดึงดูดของโลกจะเข้ามาเกี่ยวข้องและมีอำนาจเหนือแรงตึงผิว จึงอาจเรียก คลื่นใต้น้ำ (swell) ว่าเป็น gravity waves ก็ย่อมได้ คลื่นที่เราเห็นในมหาสมุทร ส่วนใหญ่เป็นคลื่นแบบนี้
ยังมีเหตุผลอีกประการหนึ่งที่ทำให้ คลื่นใต้น้ำ (swell) มียอดคลื่นมนกลมขึ้น เมื่อคลื่นเปลี่ยนสภาพจาก Sea เป็น คลื่นใต้น้ำ (swell) หมายความว่า ผิวหน้าน้ำเปลี่ยนจากความสับสนขรุขระมาก ๆ เป็นความเรียบและมีระบบ คลื่นที่เคลื่อนที่อยู่ในบริเวณหลัง จะแผ่กระจายออก เนื่องจากมีเนื้อที่กว้างขึ้น ความยาวคลื่นขยายออก ความสูงลดลง เปรียบเหมือนวัตถุยืดหยุ่นถูกผลักดันให้เคลื่อนผ่านช่องแคบ ในช่องนี้วัตถุยืดหยุ่นจะต้องทำตัวลีบโดยการบีบตัวสูงขึ้น ต่อเมื่อผ่านช่องแคบไปแล้วจะพองออกอย่างเดิม ความสูงจึงลดลงตามที่ว่าง ในสภาพน้ำที่มีความลึกเพียงพอคือ ลึกกว่า L/2 และไม่มีสิ่งกีดขวางใด ๆ คลื่นเหล่านี้จะเคลื่อนที่ด้วย ความเร็วค่อนข้างมาก เรียกว่า คลื่นน้ำลึก (deep-water waves )
เมื่อ
L = ความยาวคลื่นเป็นเมตร
C = ความเร็วคลื่น เมตร / วินาที
คลื่นในกลุ่มของ คลื่นใต้น้ำ (swell) มีความยาวคลื่นมากน้อยต่างกัน โดยสูตรข้างบนจะได้ว่า คลื่นที่ยาวกว่าจะเคลื่อนที่ได้เร็วกว่า นับเป็นการจัดขบวนของคลื่นตามความเร็ว ขบวนของคลื่นเหล่านี้สามารถเดินทางได้ไกลมาก สามารถวิ่งข้ามมหาสมุทร หรือวิ่งจากโลกใต้สู่ซีกโลกเหนือได้อย่างสบาย
การที่ คลื่นใต้น้ำ (swell) เคลื่อนที่ได้ไกลมากก็เพราะ
1. มีความเร็วพอตัวดังกล่าวแล้ว
2. ยอดคลื่นเตี้ยและมนกลมทรงตัวได้ดี ไม่แตกกระจายง่ายระหว่างทาง
3. เนื่องจากข้อสอง คลื่นจึงสูญเสียพลังงานน้อย
4. แรงตึงผิวซึ่งมีค่าน้อยมาก และแรงดึงดูดของโลก มีอำนาจในการ “ฉุดลาก” น้อยเพราะคลื่นเตี้ย
ผู้ที่อาศัยอยู่ริมฝั่งอาจใช้ คลื่นใต้น้ำ (swell) เป็นเครื่องเตือนภัยได้ ในยามใดที่เห็นคลื่นวิ่งเข้าหาฝั่งมีความยาวนานผิดปกติ ให้สันนิษฐานว่าอาจมีพายุหมุน (Huricanes) หรือไต้ฝุ่นกำลังก่อตัวขึ้น ในสภาพที่ทะเลกำลังเปลี่ยนจากสงบไปเป็นถูกพายุพัดรุนแรง จะมีคลื่นลูกแรกซึ่งมีความเร็วผิดปกติถึงฝั่งบอกเหตุร้ายว่าคลื่นที่มีความเร็วสูงมากกว่านี้กำลังตามมา
เมื่อ คลื่นใต้น้ำ (swell) เคลื่อนที่เข้าหาฝั่ง คือเปลี่ยนจากน้ำลึกเป็นบริเวณน้ำตื้น คลื่นใต้น้ำ (swell) จะถูกสิ่งกีดขวางรบกวน เคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่มีลมพัดใหม่ ในตำแหน่งใหม่นี้ คลื่นใต้น้ำ (swell) อาจถูกทำลายโดยลมที่พัดสวนทาง โดยคลื่นด้วยกันที่เคลื่อนที่สวนทางหรือผ่านกลาง โดยพื้นท้องทะเล (เพราะตื้น) ณ ความลึกอันหนึ่ง คลื่นใต้น้ำ (swell) จะแตกกระจายกลายเป็นคลื่นชนิดใหญ่ที่เรียกว่า Surf ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่ของมวลน้ำพร้อม ๆ กับการเคลื่อนที่ของพลังงาน (translation) การเคลื่อนที่ของมวลน้ำในรูป Surf มีหลายลักษณะขึ้นอยู่กับรูปร่างของพื้นท้องทะเล ที่รู้จักกันโดยทั่วไปได้แก่ ( รูปที่ 3)
1. Spilling type
2 . Plunging type
3 Surging type
4. Collapsing type
รูปที่ 3 แสดง surf ในแบบต่างๆ รูปเล็กทางขวามือเป็นรูปขยาย ให้เห็นภาพชัดเจนขึ้น จาก Oceanography by Gross, 1972.
แบบแรกเป็นแบบที่พบเห็นทั่วไป สังเกตเห็นได้ไม่ยาก ด้านข้างทั้งสองของคลื่นเว้า จึงทำให้ยอดคลื่นสูงและมีปลายแหลม เป็นเหตุให้ปลายยอดเสียการทรงตัวได้ง่าย เมื่อมีลมพัดหรือสะดุดพื้นน้ำจะแตกกระจาย มองเห็นขาวเป็นแนวขนานฝั่ง ในแนวตื้นถัดจากแนวแรกที่กล่าวถึงและต่อ ๆ ไปจะมีการแตกกระจายของคลื่นเช่นกัน โดยลักษณะนี้ยอดคลื่นจะค่อย ๆ ลดต่ำลงจนสลายไป แบบที่สองสังเกตเห็นได้ชัดเจนกว่าแบบแรกคือ ยอดคลื่นจะโค้งงอไปข้างหน้า ด้านหลังนูนในขณะที่ด้านหน้า ( ด้านชิดฝั่ง ) เว้าและส่วนที่เว้ามักเป็น “หลุม” อากาศ ดังนั้นเมื่อคลื่นแตกน้ำจะกระจายสู่อากาศพร้อม ๆ กัน เห็นฟองอากาศขาวเด่นชัด ทรวดทรงของยอดคลื่นอ้วนมีความชันน้อยมาก (H/L = 0.005) Surf แบบนี้เกิดจาก คลื่นใต้น้ำ (swell) ที่ค่อนข้างมีความยาวคลื่นมาก วิ่งเข้าหาฝั่งที่มีความชันน้อย ๆ แต่ไม่เรียบและไม่เป็นระเบียบ มีก้อนหินกระจายอยู่ทั่วไป แต่ถ้าเกิดขึ้นบนฝั่งที่ชันกว่านี้ คลื่นจะสูงขึ้นกว่าเดิม น้ำบนยอดคลื่นจะถูกผลักดันให้ไหลล้ำหน้า คือซัดสาดไปข้างหน้าแทนที่จะกระจายขึ้นสู่อากาศเบื้องบน เรียก Surf เหล่านี้ว่า surging type สำหรับแบบที่สี่ มักเกิดขึ้นบนฝั่งที่ชัน แตกต่างกับแบบอื่น ๆ ค่อนข้างชัดเจน กล่าวคือ ไม่มีการแตกกระจายของน้ำบนยอดคลื่น แต่จะมีการหักสะบั้นตรงกลาง ๆ หรือส่วนล่างของยอดคลื่น คล้ายกับอาการทรุดพับฐานของอะไรบางอย่าง
ปกติ surf ประกอบด้วยคลื่นที่แตก (breaker) หลายชนิดเคล้ากัน ความสูงของ surf ขึ้นอยู่กับความสูงและความชันของคลื่นที่วิ่งเข้าหาฝั่ง และยังขึ้นอยู่กับลักษณะพื้นท้องทะเลนอกฝั่งที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่าน ดังนั้น surf จึงมีหลายขนาดตั้งแต่ขนาดเล็ก ๆ (4-5 ซม.) บนหาดที่เป็นอ่าวปิด จนถึงหลายสิบเมตร (30-50 เมตร) บนหาดที่เป็นที่โล่ง (exposed beach) ก่อนจบเรื่อง surf ขอย้ำว่า ความชันของฝั่งมีอิทธิพลมาก คลื่นขนาดใหญ่ (คลื่นใต้น้ำ (swell)s) เมื่อปะทะกับฝั่งที่ชันมากทันทีทันใด จะเกิดคลื่นสูงที่รุนแรงน่ากลัวขึ้น คือยอดคลื่นจะโค้งขึ้นและม้วนลง (สู่ท้องคลื่นข้างหน้า) อากาศที่ถูกอัดเอาไว้ในมวลน้ำขณะที่คลื่นม้วนลงระเบิดทำให้น้ำกระจายและส่งเสียงดัง ความรุนแรงของคลื่นที่ปะทะฝั่งที่ชันมาก สร้างความเสียหายให้แก่ชายฝั่งทะเล ทรัพย์สินตลอดจนชีวิตอยู่ตลอดเวลา เช่น เมื่อต้นเดือนพฤษภาคม 2528 คลื่นขนาดใหญ่ซัดฝั่งของประเทศบังคลาเทศ ทำให้ทรัพย์สินเสียหายและผู้คนล้มตายเป็นหมื่น ๆ คน
หลังจากที่คลื่นแตกแล้ว น้ำที่เคลื่อนที่เข้าใกล้ฝั่งและถูกสะสมอยู่บนฝั่งในรูปขอบ surf ชนิดต่าง ๆ ส่วนหนึ่งอาจจะไหลกลับทะเลในระดับล่าง (เหนือพื้น) แต่ส่วนใหญ่จะถูกผลักดันให้ไหลไปตามชายฝั่ง เกิดกระแสน้ำริมฝั่ง (Longshore current) รูปที่ 3 ขนาดของกระแสน้ำนี้ขึ้นอยู่กับความใหญ่เล็กของ surf และมุมที่คลื่นเคลื่อนที่เข้าหาฝั่ง มุมยิ่งเล็กยิ่งเกิดได้มาก เมื่อกระแสน้ำริมฝั่งไหลไปได้สักระยะหนึ่ง น้ำบางส่วนจะไหลกลับทะเลในรูปของ rip current ในหรือใกล้ ๆ เขต surf zone น้ำที่ประกอบขึ้นเป็น rip current จะไหลกลับทะเลตั้งแต่ผิวจนถึงพื้น ส่วนในบริเวณนอก ๆ เขต surf zone และที่ลึกกว่า rip current จะไหลกลับทะเลในระดับเหนือพื้นลอดใต้ผิวน้ำ อาจเป็นร่องลึก ถ้ามองจากด้านบน ( ภาพถ่าย ) จะเห็นเป็นสีน้ำเงินเข้ม อาจยาวถึง 300 เมตร จากฝั่ง ตำแหน่งที่ rip current ชอบเกิด ได้แก่ ปลายทางของ Longshore current และใกล้ ๆ บริเวณที่คลื่นเบนเข้าหากัน (Convergence) เช่น บริเวณน้ำตื้นเหนือ ridge ส่วนบริเวณน้ำลึกที่เป็นร่อง เช่น Canyon , Valleys หรือ trough ที่ซึ่งคลื่นเบนออก (divergence) จะไม่เกิด rip current ผู้ที่เล่นน้ำริมฝั่งมักได้รับอันตรายจากกระแสน้ำ rip current ซึ่งไหลเชี่ยวถึง 1 เมตร/วินาที คนที่เคยมีประสบการณ์แนะนำว่า เมื่อรู้ว่ามีกระแสน้ำพัดพาตัวออกนอกฝั่ง อย่าตกใจกลัวและอย่าพยายามว่ายน้ำทวนกระแส แต่ให้พยายามว่ายน้ำออกด้านข้างเพื่อให้พ้นเขต ทั้งนี้เพราะ rip current แคบ
รูปที่ 4 แสดงกระแสน้ำริมฝั่งและการไหลกลับทะเล (Longshore and rip current) จาก Submarine Geology by Shepard, 1963.
การเปลี่ยนแปลงเมื่อคลื่นเข้าหาฝั่ง
ก่อนที่คลื่นในกลุ่ม คลื่นใต้น้ำ (swell) กลายเป็นคลื่นที่เรียกว่า surf ได้มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ทิศทางและอื่น ๆ มากมาย จุดที่การเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น เริ่มที่ความลึกของน้ำประมาณครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น คลื่น (คลื่นใต้น้ำ (swell)) ที่เคลื่อนที่เข้าหาฝั่งตั้งแต่จุดนี้จนถึงจุดที่คลื่นแตก (surf) เรียกว่า คลื่นน้ำตื้น (shallow-water waves) ฉะนั้นการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ๆ ที่ว่า เป็นการเปลี่ยนแปลงของคลื่นน้ำลึกไปเป็นคลื่นน้ำตื้นนั่นเอง ในสภาพหลังพื้นท้องทะเลเข้ามามีบทบาทอย่างมาก คลื่นจะมีการเปลี่ยนแปลงดังนี้
1. ความเร็วคลื่นลดลง
2. ความยาวคลื่นลดลง
3. ความสูงคลื่นเพิ่มขึ้น
4. คาบของคลื่นยังคงเดิม
5. คลื่นสะท้อนกลับ ( reflection )
6. คลื่นเลี้ยวเบน ( diffraction )
7. คลื่นเบน ( refraction )
เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ถึงที่ตื้น มวลน้ำชั้นล่าง ( ของคลื่น ) จะเสียดสีกับพื้นท้องทะเล แรงเสียดทานจะทำให้คลื่นมีความเร็วลดลง เป็นลำดับตามความตื้น ดังสูตรข้างล่าง
เมื่อ d = ความลึกเป็นเมตร
โดยหลักการนี้ คลื่นซึ่งประกอบด้วยยอดคลื่นสองยอด ยอดแรกจะช้ากว่ายอดที่สอง ทำให้ระยะทางระหว่างยอดคลื่นทั้งสองย่นเข้า นั้นคือความยาวคลื่นสั้นลง คลื่นน้ำลึกซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง ย่อมมีพลังงานมาก เมื่อปะทะกับความตื้นแฉลบสูงขึ้นทำให้ยอดคลื่นแหลมขึ้นตามขนาดของโมเมนตัม หรืออาจพูดอีกนัยหนึ่งว่า การที่ความยาวคลื่นสั้นลงเนื่องจากยอดคลื่นที่สองเคลื่อนที่เร็วกว่า (ไล่ยอดคลื่นแรกเกือบทัน) ทำให้พลังงานต่อพื้นที่ส่วนที่หดหายไปถูกปล่อยออกมา เมื่อพลังงานส่วนนี้ไปข้างหน้าไม่ได้และหนีออกนอกคลื่นก็ยังไม่ได้ เนื่องจากคลื่นยังไม่แตก จึงพุ่งขึ้นในแนวตั้ง คลื่นน้ำตื้นเหล่านี้จะมียอดคลื่นสูงได้ไม่ถึง 1/7 ของความยาวคลื่น หรือยอดคลื่นมีมุมได้ไม่น้อยกว่า 120 องศา ถ้าสัดส่วนดังกล่าวของคลื่น มากหรือน้อยกว่านี้ตามลำดับ คลื่นน้ำตื้นจะแตกกระจาย ตามหลักเกณฑ์นี้ คลื่นขนาดต่าง ๆ (ความยาวคลื่น) เมื่อปะทะความตื้นจะมียอดคลื่นสูง (ก่อนแตก) ต่างกัน เช่น สมมติว่ามีคลื่นอยู่ 2 ขนาด
ขนาดใหญ่ ความยาวคลื่น 70 เมตร
คลื่นจะแตกเมื่อสูง 1/7 x 70 = 10 เมตร
ขนาดเล็ก ความยาวคลื่น 7 เมตร
คลื่นจะแตกเมื่อสูง 1/7 x 7 = 10 เมตร
ตัวเลขนี้ชี้ให้เห็นว่า คลื่นน้ำตื้นที่มีขนาดต่างกัน เมื่อวิ่งเข้าหาฝั่ง พวกคลื่นสั้นจะสลายตัวได้เร็วกว่าพวกคลื่นยาว หรือแตกดัง รูปที่ 4
ดังนั้น surf ทั้ง 4 แบบที่ได้กล่าวมาแล้ว ส่วนใหญ่มาจากคลื่นน้ำตื้นชนิดที่มีความยาวคลื่นมาก
คลื่นน้ำตื้น แม้จะเปลี่ยนมาจากคลื่นน้ำลึก ซึ่งมีความลึกของน้ำมากกว่า จะยังคงมีคาบของคลื่นเท่าเดิม เพราะว่าเมื่อถึงที่ตื้นทั้งความยาวและความเร็วคลื่นลดลง ดูได้จากสูตรข้างล่าง
เมื่อ T = คาบของคลื่นเป็น วินาที
L = ความยาวคลื่นเป็น เมตร
C = ความเร็วคลื่นเป็น เมตร/วินาที
คาบของคลื่นวัดได้ไม่ยาก โดยการยืนจับเวลาของยอดคลื่น (หรือ wave front) ที่เคลื่อนที่เข้าหาฝั่ง ในประเด็นที่พูดว่าคาบของคลื่นคงที่ หมายความว่า คลื่นนั้นเป็นคลื่นอิสระ (คลื่นใต้น้ำ (swell)) ไม่มีลมหรือสาเหตุอื่นใดคอยรบกวนในขณะนั้น โดยทั่วไปคาบของคลื่นมีขนาดประมาณ 10 วินาที คลื่นในมหาสมุทรแปซิฟิกมีคาบยาวกว่าคลื่นมหาสมุทรแอตแลนติก เข้าใจว่าคลื่นในมหาสมุทรแปซิฟิกเกี่ยวข้องกับคลื่นชนิดอื่นที่เกิดจากกระบวนการแผ่นดินไหวหรือภูเขาไฟระเบิด เพราะมหาสมุทรแปซิฟิกมีสิ่งเหล่านี้มาก กระจายอยู่รอบ ๆ และตามเกาะต่าง ๆ ทั่วไป อีกส่วนหนึ่งอาจเป็นเพราะมหาสมุทรแปซิฟิกมีพายุรุนแรงและเกิดขึ้นบ่อยกว่า นอกจากนี้มหาสมุทรแปซิฟิกยังกว้างกว่ามากด้วย
รูปที่ 5 แสดงการเปลี่ยนแปลงของคลื่นเมื่อเคลื่อนที่เข้าหาฝั่ง คลื่นแตกเมื่อยอดคลื่น มีมุมน้อยกว่า 120 องศา (3) หรือความชัน (H/L) มากกว่า 1/7 จาก Sceintific American, August , 1959.
การสะท้อนกลับของคลื่น (reflection)
อาจเกิดขึ้นเมื่อคลื่นที่วิ่งเข้าหาฝั่งปะทะกับพื้นท้องทะเลที่ชันมากเกือบตั้งตรง คลื่นจะสะท้อนกลับตามกฎ Snell’s Law (กฎเดียวกับการสะท้อนของแสง) พลังงานจะถูกถ่ายเทให้คลื่นที่ตามหลังมา เราอาจทดลองการสะท้อนกลับของคลื่นได้ง่าย ๆ โดยวิธีสร้างคลื่นขึ้นในอ่างน้ำ (อ่างแก้ว) เมื่อคลื่น (ขนาดเล็ก) วิ่งปะทะกับอ่างน้ำ คลื่นจะสะท้อนกลับ สำหรับในธรรมชาติการสะท้อนกลับที่สมบูรณ์คงจะเกิดขึ้นได้ยาก เพราะชายฝั่งที่ชันตั้งตรงไม่ค่อยจะมี สำหรับการเลี้ยวเบน (diffraction) เกิดขึ้นได้ยากเช่นเดียวกัน บริเวณใกล้ ๆ ฝั่งอาจมีสิ่งก่อสร้างที่มีลักษณะเปิดเป็นช่องไว้สำหรับเรือเข้าเทียบท่า เมื่อคลื่นผ่านช่องเหล่านี้ คลื่นจะเลี้ยวเบนออกเป็นรูปครึ่งวงกลม (เป็นคุณสมบัติของคลื่นแทบทุกชนิด) มีลักษณะคล้ายพัดดังรูปที่ 5
รูปที่ 6 แสดงการเลี้ยวเบนของคลื่นเมื่อผ่านช่องแคบ
การเบนของคลื่น (refraction)
พื้นท้องทะเลจะทำให้คลื่นเบน (refract) ไปตามลักษณะความลึก (contour) ต่อมาเมื่อเคลื่อนที่ (หลังจากเบนแล้ว) ถึงบริเวณที่ตื้นระดับหนึ่ง คลื่นจะแตกกระจายซึ่งได้กล่าวมาแล้ว การเบนของคลื่นสังเกตเห็นได้ง่าย ผู้สังเกตจะเห็นหน้าคลื่น (wave front) เกือบจะขนานกับฝั่งในระยะใกล้ตัว แต่ถ้ามองออกไปไหล ๆ จะเห็นเคลื่อนที่เข้ามาทำมุมกับฝั่ง การเบนของคลื่นมีความสำคัญทางธรณีอย่างยิ่ง เพราะพลังงานที่มากับคลื่นจะถูกจัดสรรในลักษณะที่จะทำให้ “ฝั่งมีความมั่นคงสมดุล”
บริเวณใกล้ ๆ แหลมที่ยื่นออกไป ส่วนหนึ่งของหน้าคลื่นซึ่งเดินทางถึงที่ตื้นก่อนจะเคลื่อนที่ช้าลง ในขณะที่หน้าคลื่นส่วนอื่นซึ่งเคลื่อนที่ในน้ำลึกกว่า จะยังคงเคลื่อนที่ได้เร็วกว่า ดังนั้นคลื่นจากด้านอื่น ๆ จึงเบนเข้าหา (converge) แหลม พลังงานจากคลื่นจึงพุ่งเข้าหา หัวแหลมมากที่สุด ผลที่เกิดตามมาคือคลื่นจะสูงขึ้น เราจึงมักเห็นคลื่นแตกมากกว่าที่หัวแหลม นักเดินเรือมีประสบการณ์เกี่ยวกับหัวแหลมดี จึงมักจะพูดกันว่า “หัวแหลมดูดคลื่น” รูปที่ 6 นี่ก็เป็นเหตุผลหนึ่งที่เรือมักเกยตื้นที่หัวแหลม
ในบริเวณที่เว้า คลื่นยังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วปกติหรือช้าลงเล็กน้อย แล้วแต่ความลึกของอ่าว แต่เมื่อเปรียบเทียบกับหน้าคลื่นที่พุ่งเข้าแหลม คลื่นที่อ่าวจะมีความยาวคลื่นมากกว่า ความสูงจึงยังคงต่ำ เราจึงมักเห็นอ่าวสงบใช้เป็นที่หลบหรือจอดเรือ หากภายในอ่าว (ซึ่งกว้าง) มีที่ตื้นหรือแหลมเล็ก ๆ ส่วนเหล่านี้จะถูกคลื่นซัดกัดกร่อนให้หมดไป เพราะคลื่นในอ่าวถึงแม้จะดูสงบ (เพราะคลื่นเตี้ย) แต่ยังคงเก็บพลังงานไว้มาก
รูปที่ 7 แสดงการเบนของคลื่นเมื่อเข้าใกล้ฝั่ง คลื่นจะเบนเข้าหาที่ตื้น (หัวแหลม) หรือเบนออกเมื่อถึงที่ลึก ทำให้เรามองเห็นคลื่น (wave front) ขนานกับฝั่ง จาก Scientific American , August , 1959.
d1 , d2 = ความลึกของน้ำ เมื่อ d1 มากกว่า d2
L1 , L2 = ความยาวคลื่น
C1 , C2 = ความเร็วคลื่น
รูปที่ 8 แสดงการเบนของคลื่นเมื่อความลึกของน้ำเปลี่ยน
สมมติว่าคลื่นเคลื่อนที่เข้าหาฝั่ง ทำมุมเฉียงดังรูปที่ 8 ในบริเวณที่มีน้ำลึกกว่า (d1) คลื่นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากกว่า เขียนแทนด้วยเส้นซึ่งเทียบได้กับยอดของคลื่น (crest) จะเห็นว่าในบริเวณน้ำลึก เส้นเหล่านี้จะล้ำไปข้างหน้าได้มากกว่าเมื่อเทียบกับเขตน้ำตื้น wave ray เป็นทิศทางของคลื่นลากตั้งฉากกับเส้นแสดงยอดคลื่น ในบริเวณตื้น (d2) จะเห็นว่าเส้นนี้เบนไปจากทิศทางเดิม ด้วยหลักการนี้ เราจะเห็นว่าคลื่นที่เคลื่อนที่เข้าหาฝั่ง เฉียงทำมุมกับตำแหน่งที่เรายืนดู แต่พอถึงบริเวณน้ำตื้นเรากลับเห็นว่าคลื่นเข้าหาฝั่งตรงกว่า นั้นคืออาจกล่าวได้ว่ายอดคลื่น พยายามเรียงตัวให้ขนานกับฝั่งหรือโค้งตามชายหาด
ในบริเวณ d1 ในบริเวณ d2
เมื่อ T คงที่
จับคู่แล้วคูณไขว้
จะเห็นว่าถ้าเรามีภาพถ่ายทางอากาศ เราสามารถวัดค่าของ L1 และ L2 จากภาพถ่ายได้ โดยสูตรข้างบนเราอาจคำนวณหาค่าความเร็วคลื่นและความลึกของน้ำได้ หรือสามารถทำแผนที่ลักษณะพื้นท้องทะเลได้ ในสมัยสงครามโลกครั้งที่ 2 เมื่อทหารเตรียมบุกโจมตีชายฝั่งที่ข้าศึกยึดครองด้วยรถเกราะสะเทิ้นน้ำสะเทิ้นบก จำเป็นต้องรู้ความลึกของน้ำ นักวิทยาศาสตร์อเมริกันคำนวณหาความลึกของน้ำบริเวณนั้นด้วยวิธีนี้
คลื่นน้ำลึก ( Deep-water waves )
คลื่นน้ำลึกเกิดในพื้นท้องทะเลไม่มีอิทธิพล (ลึกกว่า L2 ) บางครั้งจึงมักเรียกว่าคลื่นสั้น (short wave) เพราะความยาวคลื่นน้อยมาก เมื่อเทียบกับความลึกของน้ำ หรือคลื่นผิวหน้า (surface wave) จะเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ มีแต่แรงดึงดูดของโลกเท่านั้นที่เข้ามาเกี่ยวข้อง จึงอาจคำนวณความเร็วได้จาก
สูตร
เมื่อ T = L/C
หรือ
เมื่อ T = คาบของคลื่นเป็น วินาที
L = ความยาวคลื่นเป็น เมตร
G = ความเร่งจากแรงดึงดูด
สูตรแรกใช้ได้สะดวกกว่า เพราะเราหาค่า T ได้ง่ายกว่า โดยการยืนจับเวลาที่หาดทราย (เวลาที่ยอดคลื่นลูกแรกกับยอดคลื่นลูกถัดไป ผ่านจุด ๆ หนึ่ง ) จากสูตรทั้งสองจะเห็นว่า คลื่นที่มีความยาวคลื่นมากหรือคาบของคลื่นนาน จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากกว่า
เคยกล่าวมาแล้วว่า คลื่นน้ำลึกและหรือคลื่นน้ำตื้น (swell) เป็นการถ่ายทอดพลังงานจากจุดที่มีลมพัดไปยังจุดอื่น ๆ แล้วแต่ทิศทางลม มิใช่เป็นการเคลื่อนที่ของน้ำในแนวราบ เราสามารถทดสอบความจริงข้อนี้ได้โดยวิธีง่าย ๆ ในขณะที่เราทอดสมอเรืออยู่นอกฝั่งที่มีความลึกพอประมาณ ถ้าเราโยนไม้ก๊อกลงในน้ำ เราจะเห็นไม้ก๊อกเคลื่อนไหว ในลักษณะเดินหน้า-ขึ้นลง-ถอยหลังอย่างนี้ตลอดไป โดยที่ไม้ก๊อกมิได้เคลื่อนที่ไปไหนมากนัก จังหวะการเคลื่อนไหวดังกล่าวเกิดจาก
(1) เมื่อยอดคลื่นมาถึง ไม้ก๊อกจะเคลื่อนไปข้างหน้าพร้อมทั้งลอยสูงขึ้น
(2) เมื่อยอดคลื่นผ่านเกือบจะหมดแล้ว ไม้ก๊อกจะเคลื่อนลงตามเนิน ( ความชัน ) ของคลื่น
(3) เมื่อท้องคลื่นผ่านมาถึง ไม้ก๊อกจะเคลื่อนถอยหลัง
ทั้งนี้เพราะน้ำแต่ละอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นตัวคลื่น หมุนเวียนเป็นวงในทิศเดียวกับลม หรือทิศเดียวกับคลื่น ส่วนน้ำในแนวดิ่งใต้ท้องคลื่นหมุนในทิศตรงข้าม ขนาดของวงจะลดลงตามความลึกอย่างรวดเร็วดังนี้ (รูปที่ 8)
1. วงแรก ( ที่ผิวน้ำ ) มีเส้นผ่าศูนย์กลางเท่ากับความสูงของคลื่น (H)
2. ที่ความลึกประมาณ L/9 เมตร จะมีเส้นผ่าศูนย์กลาง H/2 เมื่อ L = ความยาวคลื่น
3. ที่ความลึก L/2 เส้นผ่าศูนย์กลางจะลดเหลือประมาณ 4 % ของวงแรก
รูปที่ 9 แสดงการหมุนเวียนอนุภาคน้ำในคลื่นน้ำลึก จาก Scientific American, September , 1969.
ดังนั้นที่ความลึกตั้งแต่ L/2 ลงไป มวลน้ำจะไม่มีการหมุนเวียน เป็นความลึกที่สงบ (สมมติว่าไม่มีกระแสน้ำ) เรือดำน้ำสามารถหลบซ่อนโดยไม่ถูกคลื่นรบกวนเลย บริเวณยอดคลื่น โมเลกุลของน้ำเคลื่อนที่ (หมุน) ในแนวนอนในทิศทางเดียวกับคลื่น (หรือลม) เมื่อลมปะทะกับยอดคลื่น (ลองนึกเทียบกับภูเขา) ลมจะแฉลบขึ้นข้างบนเล็กน้อย ทำให้บริเวณหลังยอดคลื่น (หลังเขา) มีความกดดันอากาศต่ำเล็กน้อย ณ บริเวณนี้โมเลกุลของน้ำจะหมุนขึ้น (ลอยขึ้น) เมื่อลมพัดไปถึงยอดคลื่นถัดไป หน้ายอดคลื่น (หน้าเขา) ลมพัดต่ำ (หรือลง) เกิดความกดดันสูงบริเวณหน้ายอดคลื่น โมเลกุลของน้ำ ณ บริเวณนี้จึงหมุนลง (จมลง) ความดันอากาศที่แตกต่างกันระหว่างสองบริเวณดังกล่าว ทำให้เกิดลมหมุนขนาดเล็ก (eddy) มีทิศทางตรงกันกับทิศทางลม ลมนี้จะผลักดันโมเลกุลของน้ำให้เคลื่อนที่ไปด้วย คือจากความดันอากาศสูงสู่ความดันอากาศต่ำ ดังรูปที่ 9
ความเร็วของอนุภาคน้ำในแต่ละวง อาจหาได้จากสูตร
เมื่อ V = ความเร็วอนุภาคน้ำ
H = เส้นผ่านศูนย์กลางของวงกลมแรก ( เป็นความสูงของคลื่นนั่นเอง )
T = คาบของคลื่น
รูปที่ 10 แสดงขั้นตอนของลมที่ทำให้โมเลกุลของน้ำในคลื่นหมุนจาก Oceanography by Weyl, 1970.
คลื่นน้ำตื้น (shallow-water wave)
บางครั้งเรียกว่า คลื่นยาว (Long wave) เพราะความยาวคลื่นมากเมื่อเทียบกับความลึก บริเวณที่ความลึกของน้ำน้อยกว่า L/20 พื้นทะเลจะเข้ามาเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของคลื่นมาก อนุภาคของน้ำที่ประกอบขึ้นเป็นตัวคลื่น จะหมุนเป็นวงรี และความเป็นวงรีจะเพิ่มขึ้นตามความลึก จนกระทั่งแบนราบเมื่อใกล้พื้นท้องทะเล รูปที่ 10 การหมุนเป็นวงรีของอนุภาคน้ำเท่ากับเป็นการทำให้การเคลื่อนที่ในแนวราบ (ไป-มา) ได้ระยะทางมากกว่าการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง (ขึ้น-ลง) บริเวณใกล้ ๆ พื้นมวลน้ำจึงเคลื่อนที่ไป-มา ในแนวราบแต่เพียงอย่างเดียว เราจึงมักเห็นมวลน้ำโบกพัดสาหร่ายที่เกาะติดอยู่กับพื้นชัดเจน ความเร็วของคลื่นน้ำตื้นอาจหาได้จากสูตร
เมื่อ d = ความลึกของน้ำเป็นเมตร
ส่วนความเร็วของอนุภาคน้ำที่ผิว จะเพิ่มขึ้นเรื่อง ๆ ตามความสูงของคลื่น ตามสูตร
เราทราบแล้วว่าความสูงของคลื่นเพิ่มขึ้นตามความลาดชันของชายฝั่ง เมื่อถึงจุดหนึ่งที่คลื่นใกล้จะแตก น้ำจะหมุนเร็วมากทำให้ยอดคลื่นเสียการทรงตัว มวลน้ำที่ยอดคลื่น จะพังทลายลงสู่ท้องคลื่นในที่สุด ในจังหวะนี้เราเรียกว่าคลื่นแตก น้ำจะไม่หมุนเป็นวงรีอีกต่อไป แต่ละเคลื่อนที่ในแนวราบเป็นหลัก (คลื่นซัดฝั่ง)
รูปที่ 11 แสดงการหมุนเวียนของอนุภาคน้ำในคลื่นน้ำตื้น
คลื่นอยู่กับที่ (Standing waves)
"คลื่นอยู่กับที่" เป็นคลื่นที่เกิดขึ้นในแหล่งน้ำปิด (enclosed water) หรือเกือบปิด (semi-enclosed water) ได้แก่ ทะเลสาบและอ่าวแคบ ๆ บางครั้ง เรียกว่า stationary waves หรือ seiches เมื่อมีลมพัดหรือ ถูกรบกวน น้ำในบริเวณดังกล่าวจะเคลื่อนไหวทั้งในแนวตั้ง (ขึ้น-ลง) และในแนวนอน (ไป-กลับ) การเคลื่อนที่ขึ้น-ลงและเคลื่อนที่ไป-กลับของน้ำของแต่ละจุดมีลักษณะตรงข้าม การขึ้น-ลงจะเพิ่มขึ้นเป็นลำดับเมื่อเข้าใกล้ฝั่ง จนกระทั่งถึงขอบอ่าวที่ซึ่งน้ำขึ้น-ลงได้มากที่สุด และไม่มีการเคลื่อนที่ในแนวนอนเลย (antinodes) การเคลื่อนที่ไป-กลับจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อเข้าหาศูนย์กลาง จนกระทั่งถึงจุด ๆ หนึ่งที่การเคลื่อนที่ไป-กลับมากที่สุด และไม่มีการเคลื่อนที่ขึ้น-ลงเลย (nodes)
เนื่องจากอ่าวหรือทะเลสาบมีความลึกน้อยมากเมื่อเทียบกับความยาว คลื่นที่เกิดขึ้นจึงจัดไว้ในประเภทคลื่นยาว (Long waves) หรือคลื่นน้ำตื้น ความลึกของน้ำน้อยกว่า L/20 สำหรับทะเลสาบที่ไม่มีทางติดต่อกับน้ำภายนอก การเคลื่อนไหวของน้ำอนุโลมว่ามีลักษณะคล้ายการเคลื่อนไหวของน้ำในภาชนะสี่เหลี่ยม ความยาวคลื่นจึงมีค่าเป็นสองเท่าของความยาวทะเลสาบ (รูปที่ 11) คาบของคลื่น (period) อาจหาได้จากสูตรข้างล่าง
ให้ L = 2.l
เมื่อ L = ความยาวคลื่น
l = ความยาวทะเลสาบ
เมื่อเป็นคลื่นน้ำตื้น
เมื่อ T1 = คาบคลื่นเมื่อมี node เดียว
T2 = คาบคลื่นเมื่อมีหลาย node
รูปที่ 12 แสดงคลื่นอยู่กับที่ในแหล่งน้ำปิด จาก The earth and its oceans by Duxbury , 1971
รูปที่ 13 แสดงคลื่นอยู่กับที่ในแหล่งน้ำเปิด จาก The earth and its oceans by Duxbury , 1971.
สำหรับอ่าวที่มีลักษณะเปิดมาก มีการถ่ายเทระหว่างภายในและภายนอก (มีทั้งไหลเข้าและไหลออก) บริเวณปากอ่าวถือว่าเป็นบริเวณที่น้ำขึ้นลงได้น้อยที่สุด (node) บริเวณที่น้ำขึ้นลงได้มากที่สุด (antinode) จึงมีด้านเดียวคือด้านใน ในกรณีนี้ความยาวของอ่าวจะมีค่าหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น (รูปที่ 12) และในทำนองเดียวกันกับกรณีแรก เราอาจคำนวณ คาบของคลื่นได้จากสูตร
เช่นเดียวกับคลื่นที่เคลื่อนที่ไปข้างหน้า คลื่นอยู่กับที่มีการเปลี่ยนแปลงคล้อยตามรูปร่างของอ่าวหรือทะเลสาบ มีการสะท้อนกลับเมื่อขอบอ่าวชันมาก ส่วนหนึ่งอาจสลายตัวตามความลาดของพื้นอ่าว และก็จะเบน (refract) เมื่ออยู่ในเขตน้ำลึกน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น ในทะเลสาบขนาดใหญ่เช่น Great lakes แรงเสมือนจะเข้ามาเกี่ยวข้องทำให้คลื่นไม่เพียงแต่คลื่นที่ขึ้น-ลงเท่านั้น แต่จะหมุน (rotary) ด้วย
คลื่นใต้น้ำ (tsunami waves)
คลื่นซุนามิ เป็นภาษาญี่ปุ่น (tsunami) มีความหมายว่าคลื่นขนาดใหญ่ (big waves) เขียนเป็นภาษาอังกฤษโดยคนอเมริกันว่า tsunami หรือ tsunamis ก่อนปี 1950 โดยประมาณ นักสมุทรศาสตร์เข้าใจว่า ซุนามิเป็นคลื่นที่เกี่ยวข้องกับน้ำขึ้น-น้ำลง เป็นคลื่นที่เกิดจากแรงดึงดูดของดวงจันทร์และดวงอาทิตย์ จึงเป็นคลื่นอยู่ในควบคุม (forced wave) ในรายละเอียดคลื่นทั้งสองชนิดนี้จึงแตกต่างกันมาก โดยหลักเกณฑ์กว้าง ๆ เราถือว่าคลื่นที่มีคาบนานกว่า 4 วินาที เป็นคลื่นน้ำตื้น ดังนั้นคลื่นซุนามิและคลื่นน้ำขึ้น-น้ำลง ต่างก็เป็นคลื่นน้ำตื้น
L/d มากกว่า 150/4
มีการศึกษาคลื่นซุนามิกันอย่างจริงจังตั้งแต่ปี 1964 เป็นต้นมา เครื่องมือทันสมัย (SSWWS = Seismic Sea – Wave Warning System) ที่ติดตั้งไว้ตามจุดต่าง ๆ ทำให้เราทราบว่าคลื่นซุนามิมีความเร็วโดยเฉลี่ยประมาณ 750 กม./ชม. ความยาวคลื่นประมาณ 150 กม. และคาบของคลื่นนานถึง 15 นาที ในขณะที่ความสูงของคลื่นวัดได้ 30-40 ซม. เท่านั้น ความสูงของคลื่นขนาดนี้ไม่ทำให้เรือที่กำลังแล่นอยู่นอกฝั่งมีความรู้สึกผิดปกติ ด้วยเหตุนี้เราจึงอาจเรียกคลื่นซุนามิว่า “คลื่นใต้น้ำ” เนื่องจากมีความเร็วสูงเมื่อปะทะฝั่ง คลื่นซุนามิจะมียอดคลื่นสูงหลายฟุต (20 ถึง 135 ฟุต) สร้างความเสียหายให้กับฝั่ง ทรัพย์สิน และชีวิตมากมาย ประเทศญี่ปุ่นและเกาะฮาวายได้รับเคราะห์กรรมจากคลื่นซุนามิมากที่สุด เช่น ในปี 1896 และ 1933 คนญี่ปุ่นเสียชีวิตถึง 27,000 และ 1,000 คน ตามลำดับ
คลื่นชนิดอื่น (Other types of waves)
มีคลื่นอีกหลายชนิดที่ยังมิได้กล่าวถึง เช่น “คลื่นขนาดจิ๋ว” (capillary waves) และ “คลื่นระหว่างชั้น (Internal waves) คลื่นชนิดแรกเป็นคลื่นขนาดเล็กมาก (เล็กกว่า ripples) ความยาวคลื่นน้อยกว่า 1.7 ซม. ยอดคลื่นมนกลม ท้องคลื่นเป็นรูป V-shaped มีแต่แรงตึงผิว (surface tension) เข้ามาเกี่ยวข้อง แรงนี้พยายามทำให้ผิวน้ำแบนราบสู้กับแรงผลักของลม (wind stress) ในบางครั้งจึงอาจเรียกว่า surface tension waves ต่างกับคลื่นอื่น ๆ ที่กล่าวมาแล้ว ทั้งนี้
1. ความยาวคลื่นยิ่งสั้น ยิ่งเคลื่อนที่ได้เร็ว (รูปที่ 14)
2. ความเร็วกลุ่ม (group velocity) เร็วกว่าความเร็วเฟส (phase velocity , C = L/T)
3. เนื่องจากข้อ 2 เกิดคลื่นใหม่อยู่ตลอดเวลา คลื่นเก่าสลายตัว
เชื่อว่าคลื่นชนิดนี้มีบทบาทสำคัญ ในการก่อให้เกิดคลื่นขนาดใหญ่กว่านี้ (ความยาวคลื่นยาวกว่า 1.77 ซม.) ดังได้กล่าวมาแล้ว ในบางโอกาสและบางท้องที่ เรามองเห็นผิวน้ำเรียบมากผิดกว่าตำแหน่งอื่นชัดเจน ที่เรียกว่า surface slicks หมายความว่าตำแหน่งนั้น ไม่มี capillary waves นั่นเอง เข้าใจว่าเป็นเพราะมีลมไม่มากพอที่จะทำให้เกิด (ช่องหรือบริเวณปลอดลม) หรืออาจเป็นเพราะบริเวณนั้นมีน้ำมันหรือวัสดุอื่นที่ลดความตึงผิวของน้ำ นั่นคือไม่มีแรงตึงผิวเพียงพอที่จะทำให้เกิดคลื่น บริเวณชายฝั่งหรือแม้แต่นอกฝั่งออกไปไกล ๆ เรามักเห็นน้ำมันหรือวัตถุเบา ๆ ลอยเป็นแนวเช่นกัน (oil slick) แนวเหล่านี้เป็นแนวน้ำจม ( convergence ) เกิดจากกระแสน้ำไหลมาปะทะกัน แล้วม้วนตัวลง
รูปที่ 14 คลื่นขนาดใหญ่ (gravity waves) ความเร็วเพิ่มขึ้น ตามความยาวคลื่น ในขณะที่คลื่นขนาดจิ๋ว (capillary waves) ความเร็วคลื่นเพิ่มขึ้นเมื่อความยาวคลื่นลดลง จาก Beginning Physical Oceanography by Knauss , 1972
โดยธรรมชาติน้ำในมหาสมุทรแบ่งเป็นชั้น ๆ ณ ความลึกอันหนึ่งน้ำอาจมีสองชั้นหรือมากกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งบริเวณที่น้ำนิ่ง (ไม่มี convection) ในระหว่างชั้นน้ำเหล่านี้ จะมีคลื่นที่เรียกว่า Internal waves คลื่นนี้เคลื่อนที่ (propagate) คล้ายกับคลื่นผิวหน้า แต่มีความยาวคลื่นมากกว่าคาบของคลื่นนานกว่า อาจเป็นชั่วโมง แทนที่จะนับเป็นวินาทีเหมือนอย่างของคลื่นผิวน้ำ ความเร็วคลื่นก็ช้ากว่ามาก ประมาณ 2-3 % ของความเร็วคลื่นผิวหน้าเท่านั้น ในที่ลึกมาก ที่ซึ่งความลึกของน้ำ (d) มาก เมื่อเทียบกับความยาวคลื่น (L) ความเร็วอาจหาได้จากสูตร
เมื่อ 
= ความหนาแน่นของน้ำชั้นบน
= ความหนาแน่นของน้ำชั้นล่าง
h = ความหนาของน้ำผิวหน้า (ชั้นบน)
แต่ถ้าความยาวคลื่นมากเมื่อเทียบกับความลึกของน้ำ
เมื่อ d = ความลึกน้ำทั้งหมด
จากสูตรทั้งสองจะเห็นว่าคลื่นระหว่างชั้นคล้ายคลื่นน้ำตื้นมาก
สรุป
คลื่นเป็นพลังงานรูปหนึ่ง ซึ่งเกิดจากหลายสาเหตุดังที่กล่าวมาแล้ว เช่น เกิดจากลม แผ่นดินไหว ภูเขาไฟระเบิด แผ่นดินถล่มที่พื้นท้องมหาสมุทร และอื่นๆ ซูนามิ ทำให้เกิดอันตรายและความเสียหายอย่างมากมายเมื่อคลื่นชนิดนี้ซัดเข้าหาฝั่ง จากการที่มนุษย์ตั้งถิ่นฐานอยู่ใกล้ทะเล ได้อาศัยมหาสมุทรเป็นเส้นทางการคมนาคม และแหล่งอาหารตลอดมา ดังนั้นคลื่นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งยวดต่อระบบนิเวศน์ชายฝั่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งทางด้านธรณีวิทยาชายฝั่ง หาดทรายและลักษณะชายฝั่งที่ปรากฏให้เราเห็นในธรรมชาติ
การศึกษาคลื่นลม มีความจำเป็นอย่างมากในอดีตจนถึงปัจจุบัน โดยมีการนำเทคโนโลยีที่ทันสมัยอาทิเช่น ทุ่นสำรวจทางสมุทรศาสตร์ การใช้ดาวเทียมและอื่นๆ มาวิเคราะห์และหาเหตุผล ก่อให้เกิดองค์ความรู้ใหม่ๆ เพื่อพัฒนาความก้าวหน้าในกิจการทางทะเล ตลอดไปจนถึงเพื่อความปลอดภัยในชีวิตและทรัพย์สิน
เอกสารอ้างอิง
- หมั่น โพธิ์วิจิตร. สมุทรศาสตร์เบื้องต้น ภาควิชาวิทยาศาสตร์ทางทะเล คณะประมงมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, 2529
- มหรรณพ บรรพพงศ์. Physical Oceanography ภาควิชาวิทยาศาสตร์ทางทะเล คณะวิทยาศาสตร์ทางทะเล จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, 2533
- Oceanography by Gross , 1972.
- Submarine Geology by Shepard, 1963.
- Sceintific American, August , 1959.
- Oceanography by Weyl, 1970.
- Beginning Physical Oceanography by Knauss , 1972
- The earth and its oceans by Duxbury , 1971.