Fala to nie woda, która płynie w stronę brzegu, tylko energia, która przez wodę przechodzi. Cząsteczki wody kręcą się w miejscu po niemal kolistych torach i wracają tam, skąd wyszły – dalej wędruje sam kształt fali i niesiona przez nią energia. Dlatego fale morskie potrafią przebyć setki kilometrów, choć woda zostaje na miejscu. Ta sama zasada tłumaczy pozorny paradoks Bałtyku: fala niższa niż na oceanie bywa dla łodzi trudniejsza, bo jest krótka i stroma. Jak powstaje fala, z czego się składa i czemu bałtycka jest tak nieprzyjemna – o tym jest ten tekst. Resztę zjawisk Morza Bałtyckiego zebraliśmy w osobnym przewodniku.
Fale morskie w pigułce
- Fala niesie energię, a nie masę wody – cząsteczki poruszają się po orbitach kołowych i wracają do punktu wyjścia.
- Falę wiatrową tworzy tarcie wiatru o wodę; jej wielkość zależy od siły wiatru, czasu jego trwania i rozbiegu (fetchu).
- Falę opisują trzy wielkości: wysokość, długość i okres. Ich stosunek (stromość) decyduje o tym, jak jest groźna.
- Bałtyk jest płytki i zamknięty, dlatego jego fala jest krótka, stroma i szybko narasta – trudniejsza niż wyższa, ale dłuższa fala oceaniczna.
- Martwa fala (rozkołys) utrzymuje się długo po ustaniu wiatru i bywa zdradliwa przy pozornie spokojnym morzu.
- Prognozę falowania Bałtyku publikuje IMGW-PIB; stan morza podaje się w skali Douglasa, a nie Beauforta.
Czym są fale morskie
Fala morska to zaburzenie powierzchni wody, które rozchodzi się po morzu, przenosząc energię. Najłatwiej zrozumieć ją przez to, czym nie jest: nie jest strumieniem wody płynącym do brzegu. Gdy patrzysz na falujące morze, widzisz ruch, ale woda w danym miejscu głównie podnosi się i opada. Wyobraź sobie boję kołyszącą się na wodzie – kolejna fala unosi ją i opuszcza, ale nie spycha jej ku plaży. To energia przechodzi przez wodę, nie woda przez morze.
Ten szczegół odróżnia falę od prądu. Prąd morski faktycznie przenosi masę wody na duże odległości; fala przenosi tylko energię i kształt. Cząsteczki na powierzchni krążą po torach zbliżonych do okręgu i wracają mniej więcej tam, gdzie były. Im głębiej, tym te orbity są mniejsze, aż na głębokości równej mniej więcej połowie długości fali woda jest już praktycznie w spoczynku. To dlatego nurek kilka metrów pod wzburzoną powierzchnią czuje znacznie spokojniejszą wodę niż pływak na górze.
Jak powstają fale morskie
Zdecydowaną większość fal, które widzimy na morzu, tworzy wiatr. Powstają z tarcia: przesuwające się powietrze ociera się o taflę wody i przekazuje jej energię. Najpierw pojawiają się drobne zmarszczki (fale kapilarne), a gdy wiatr wieje dalej, rosną w większe fale grawitacyjne – te, które kojarzymy z morzem. Wiatr nie jest jedynym sprawcą fal: potrafią je wywołać także trzęsienia ziemi i osuwiska dna (tsunami) czy przyciąganie Księżyca i Słońca (pływy), ale to fale wiatrowe rządzą codziennym obrazem morza.
O tym, jak duża urośnie fala wiatrowa, decydują trzy rzeczy. Pierwsza to siła wiatru – im mocniej wieje, tym więcej energii trafia do wody. Druga to czas: wiatr musi wiać odpowiednio długo, żeby fala zdążyła się rozwinąć. Trzecia, często pomijana, to rozbieg, nazywany z angielska fetchem – odległość, na jakiej wiatr wieje nad wodą w jednym kierunku. Im dłuższy rozbieg, tym większe i dłuższe fale, bo wiatr ma gdzie je rozpędzić. Otwarty ocean daje wiatrowi tysiące kilometrów rozbiegu; morze zamknięte – najwyżej kilkaset. Ta różnica jest kluczem do zrozumienia, dlaczego bałtycka fala wygląda tak, jak wygląda.
Powstawanie fal morskich tłumaczy odcinek serii edukacyjnej „Niepodręcznik Oceaniczny”, tworzonej przez Instytut Oceanologii PAN i Akwarium Gdyńskie MIR-PIB.
Anatomia fali – wysokość, długość i okres
Żeby porównywać fale i sensownie o nich mówić, opisuje się je kilkoma prostymi wielkościami. Najwyższy punkt fali to grzbiet, najniższy – dolina, a poziom, wokół którego woda się kołysze, to poziom wody spokojnej.
Trzy wielkości mówią o fali najwięcej. Wysokość fali (H) to pionowa odległość od doliny do grzbietu. Długość fali (L) to odstęp między dwoma kolejnymi grzbietami. Okres fali (T) to czas, w jakim dany punkt mijają dwa kolejne grzbiety – w praktyce liczba sekund między jedną falą a następną. Z długości i wysokości wynika stromość fali, czyli stosunek H do L. To ona, bardziej niż sama wysokość, decyduje o tym, jak fala jest odczuwalna: gdy stromość przekracza mniej więcej jedną siódmą, fala traci stabilność i się załamuje.
| Wielkość | Co oznacza | Dlaczego ma znaczenie |
|---|---|---|
| Wysokość fali (H) | pionowa odległość od doliny do grzbietu | najczęściej podawana miara wielkości fali |
| Długość fali (L) | odległość między dwoma grzbietami | decyduje o tym, czy fala jest długa i łagodna, czy krótka |
| Okres fali (T) | czas między kolejnymi grzbietami | im krótszy, tym częściej fale uderzają w jednostkę |
| Stromość (H / L) | stosunek wysokości do długości | rozstrzyga, kiedy fala się załamuje i jak jest groźna |
Zachowanie fali zależy też od tego, jak głęboka jest woda, po której się przemieszcza – a ściślej, jak głębokość ma się do długości fali. Gdy woda jest głębsza niż mniej więcej połowa długości fali, mówimy o fali głębokowodnej. Dno jej nie dotyczy, orbity cząsteczek są kołowe i zanikają w głąb, a fala płynie swobodnie. Gdy głębokość spada poniżej mniej więcej jednej dwudziestej długości fali, fala staje się płytkowodna: zaczyna „czuć” dno, orbity spłaszczają się w elipsy, a przy samym dnie woda już tylko przesuwa się w przód i w tył. To dlatego fale przy brzegu rosną i się załamują – dno hamuje ich dolną część, grzbiet wyprzedza podstawę i fala się przewraca.
Dlaczego bałtycka fala jest krótka i stroma
Bałtyk łączy dwie cechy, które robią z jego fali szczególny przypadek: jest płytki i zamknięty. Średnia głębokość Bałtyku to około 52 metry, a połączenie z oceanem prowadzi tylko przez wąskie Cieśniny Duńskie. Wiatr ma tu więc krótki rozbieg, a płytka woda dodatkowo ogranicza rozwój fali. Efekt jest taki, że bałtycka fala rzadko bywa długa – za to szybko narasta, jest stroma i ma krótki okres.
Dla żeglujących ma to konkretne znaczenie. Krótka, stroma fala bywa trudniejsza niż znacznie wyższa, ale dłuższa fala oceaniczna, bo grzbiety idą gęsto jeden za drugim. Kadłub nie zdąży wznieść się na kolejny grzbiet i zamiast go przejść, wchodzi w falę. Stąd bierze się nieprzyjemne, szarpane kołysanie, które zna każdy, kto pływał po Bałtyku w świeży wiatr – i dlatego bałtycka fala jest ważnym tematem w żeglarstwie.
Nie znaczy to, że Bałtyk jest łagodny. Według IMGW-PIB notuje się tu średnio około 40 dni sztormowych w roku, głównie w chłodnym półroczu od września do marca, a pojedynczy sztorm trwa zwykle od czterech do siedmiu dni. Zimą fale sięgają 6-7 metrów, a rekordy są jeszcze wyższe. Podczas sztormów w 2012 i w nocy z 11 na 12 stycznia 2017 roku wysokość fali znacznej na Bałtyku dochodziła do około 8 metrów, a najwyższą pojedynczą falę oszacowano na około 14 metrów. Kluczem nie był wyjątkowo silny wiatr, lecz jego stały kierunek i długi rozbieg – od polskiego wybrzeża aż po Wyspy Alandzkie. Ten sam mechanizm, który zwykle łagodzi bałtycką falę, potrafi ją więc czasem wyśrubować. Falowanie i napór wody trzeba brać pod uwagę także przy budowie morskich farm wiatrowych, które powstają na płytkim i wietrznym Bałtyku.
Martwa fala i rozkołys
Fala nie znika w chwili, gdy ucichnie wiatr. To, co zostaje, to martwa fala, nazywana też rozkołysem. Powstaje z długotrwałego wiatru wiejącego z jednego kierunku i utrzymuje się jeszcze długo po tym, jak wiatr ustał albo zmienił kierunek. Martwa fala jest dłuższa, gładsza i bardziej regularna niż fala wiatrowa, a energię potrafi nieść na duże odległości – na oceanie nawet przez cały akwen.
Dla obserwatora z brzegu bywa zdradliwa właśnie dlatego, że wygląda spokojnie. Morze może sprawiać wrażenie wygładzonego, a mimo to raz po raz nadchodzą duże, długie fale, które potrafią zbić z nóg na płyciźnie albo zmyć z falochronu. Po sztormie warto więc pamiętać, że „spokojne” morze nie zawsze oznacza morze bezpieczne.
Kiedy fala staje się groźna dla ludzi
Sama fala rzadko jest zagrożeniem dla kogoś na brzegu – groźne bywają jej skutki. Fala rozbijająca się o falochron, ostrogę czy molo potrafi zmyć człowieka do wody, a spiętrzenie fal przy brzegu uruchamia najniebezpieczniejsze bałtyckie zjawisko: prąd wsteczny, wąski strumień odprowadzający wodę od plaży w stronę morza. Powstaje już przy fali od około 70 centymetrów – i to dlatego przy takiej fali ratownicy zamykają kąpielisko. Jak rozpoznać prąd wsteczny i co robić, gdy się w nim znajdziesz, opisujemy w przewodniku po Bałtyku.
Silny, długotrwały wiatr wpycha też wodę ku brzegowi i w ujścia rzek, podnosząc poziom morza w portach i estuariach. To spiętrzenie, czyli cofka, to osobne zjawisko – nie należy go mylić z prądem wstecznym, choć oba bywają nazywane podobnie.
Jak sprawdzić falowanie na Bałtyku
Prognozę falowania dla polskiego wybrzeża publikuje IMGW-PIB w serwisie morskim baltyk.imgw.pl. Powstaje ona w oparciu o model falowy SWAN i podawana jest na trzy dni z krokiem trzygodzinnym, dla Bałtyku Centralnego i Południowo-Wschodniego oraz Zatoki Gdańskiej i Pomorskiej. Najważniejszy parametr to wysokość fali znacznej – średnia z jednej trzeciej najwyższych fal, która najlepiej oddaje to, co realnie zastaniemy na wodzie.
Warto znać jeszcze jedno rozróżnienie, bo bywa źródłem nieporozumień. Stan powierzchni morza podaje się w dziesięciostopniowej skali Douglasa, opartej na wysokości fali, natomiast siłę wiatru – w skali Beauforta. To dwie różne skale: jedna opisuje falę, druga wiatr. Przed wyjściem w morze albo przed kąpielą po świeżym wietrze warto sprawdzić obie, a także to, czy nie mamy do czynienia z sztormem na Bałtyku.
Anatomia fali – plansza do druku
Jedna strona A4 z budową fali (wysokość, długość, okres), różnicą między falą głęboko- i płytkowodną oraz wyjaśnieniem, dlaczego bałtycka fala jest krótka i stroma. Gotowa do wydruku na zajęcia lub do samodzielnej nauki.
Najczęstsze pytania
Jak powstają fale morskie?
Większość fal tworzy wiatr. Ociera się o powierzchnię wody i przekazuje jej energię – najpierw powstają drobne zmarszczki, potem coraz większe fale. Ich wielkość zależy od siły wiatru, czasu jego trwania i rozbiegu (fetchu), czyli odległości, na jakiej wiatr wieje nad wodą w jednym kierunku.
Co to jest okres fali?
Okres fali (oznaczany T) to czas, w jakim dany punkt na wodzie mijają dwa kolejne grzbiety – w praktyce liczba sekund między jedną falą a następną. Krótki okres oznacza, że fale idą gęsto jedna za drugą, co bywa trudniejsze dla łodzi niż pojedyncze, rzadkie fale.
Dlaczego fale na Bałtyku są krótkie i strome?
Bo Bałtyk jest płytki (średnio około 52 metry) i zamknięty, więc wiatr ma krótki rozbieg. Fala nie zdąża się rozpędzić i wydłużyć, za to szybko narasta i staje się stroma. Dla jednostki bywa przez to trudniejsza niż wyższa, ale dłuższa fala oceaniczna.
Co to jest martwa fala?
Martwa fala (rozkołys) to gasnąca fala, która zostaje po ustaniu wiatru. Jest dłuższa, gładsza i bardziej regularna niż fala wiatrowa i utrzymuje się długo po sztormie. Bywa zdradliwa, bo pojawia się przy pozornie spokojnym morzu.
Jak wysokie są fale na Bałtyku?
Na co dzień to zwykle kilkadziesiąt centymetrów do około metra. Zimą, podczas sztormów, fale sięgają 6-7 metrów. Rekordowe wartości są wyższe: w styczniu 2017 roku wysokość fali znacznej dochodziła do około 8 metrów, a najwyższą pojedynczą falę oszacowano na około 14 metrów.
Czym różni się fala głębokowodna od płytkowodnej?
Decyduje stosunek głębokości do długości fali. Fala głębokowodna płynie po wodzie głębszej niż mniej więcej połowa jej długości i nie „czuje” dna. Fala płytkowodna przemieszcza się po wodzie płytszej niż około jedna dwudziesta jej długości – dno ją hamuje, stromi i w końcu załamuje przy brzegu.
Źródła
- Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy – prognoza falowania Bałtyku (model SWAN), wysokość fali znacznej, skala Douglasa, dane o sztormach i rekordowych falach.
- Instytut Oceanologii Polskiej Akademii Nauk w Sopocie – oceanografia fizyczna i mechanika fal morskich.
- Uniwersytet Gdański, Wydział Oceanografii i Geografii – powstawanie i parametry fal, fala głęboko- i płytkowodna.
- Encyklopedia PWN – definicje falowania, martwej fali i podstawowych wielkości opisujących falę.
- Akwarium Gdyńskie Morskiego Instytutu Rybackiego – Państwowego Instytutu Badawczego – materiały edukacyjne o zjawiskach morskich.
Karolina Wypych, redakcja Atlas Morski