גל (מים)

במכניקת הזורמים, גל מים הוא תנודה מחזורית הנוצרת בגוף מים כגון ים, אגם או נהר. תנודות כאלו נוצרות כתוצאה מהשפעה של גורם חיצוני על גוף המים; למשל, גלי מים הנגרמים על ידי הרוח הם תוצאה של אינטראקציה המתחוללת בממשק שבין גוף המים לאטמוספירה. כמו בתופעות גליות אחרות, מרגע שנוצר הגל הוא ממשיך לנוע בכוחות עצמו מכוח האינרציה.
הכוחות שמאפשרים את התקדמותם של גלי מים משתייכים כמעט באופן בלעדי לשני סוגים: כוח הכבידה (והתגלמויותיו הפיזיות השונות, כגון לחצים הידרוסטטיים וכוח הציפה) המשמעותי באורכי גל ארוכים, וכוחות תאחיזה קפילריים הפועלים בפני השטח של המים ומשמעותיים באורכי גל קצרים. בהתאם לכך נהוג לחלק גלי מים לשני סוגים: גלי כבידה וגלים קפילריים. גל כבידה נוצר כאשר מתחוללת הסחה של גוף המים ממצב שיווי המשקל שלו (המתקבל כאשר פני המים אחידים בגובהם); הכוחות המחזירים, ששואפים להביא את פני המים חזרה לשיווי משקל, הם תוצאה של הכבידה. גלי מים ארוכים הנגרמים על ידי הרוח הם דוגמה לגלי כבידה, כמו גם גלי צונאמי וגלי גאות ושפל. לעומת זאת, אדוות הנוצרות על פני המים כאשר זורקים עליהם אבן קטנה הן דוגמה לגלים קפילריים.

המנגנון של היווצרות גלי ים על ידי הרוח


גלי ים נוצרים כתוצאה מהעברת אנרגיה מהאטמוספירה לפני האוקיינוס, כאשר הגורם המתווך הוא הרוח. גלי כבידה-קפילריים משחקים תפקיד מרכזי במנגנון שאחראי ליצירת גלים על ידי הרוח. ישנם שני מנגנונים שונים שמתארים את התהליך הזה, שנקראים על שם החוקרים שהגו אותם, Phillips ו- Miles.
המנגנון של Phillips מדמה את מצבו הראשוני של האוקיינוס כים שטוח, בעוד רוח טורבולנטית מנשבת מעל פני המים. כאשר זרימה היא טורבולנטית, הדבר מתבטא בשדה מהירות אקראי "המורכב" על פני זרם ממוצע ראשי (בניגוד לזרימה למינרית, בה תנועת הזורם מסודרת וחלקה). שדה המהירות האקראי מייצר מאמצים משתנים (נורמליים ומשיקיים) שפועלים על הממשק שבין המים לאוויר. המאמץ הנורמלי, או הלחץ המתנודד, פועל ככוח מאלץ (בדיוק כמו שדוחפים נדנדה). אם התדירות ומספר הגל  של הכוח המאלץ הזה תואם מוד ויברציה טבעי של גל הכבידה הקפילרי (כלומר כאשר מספר הגל והתדירות מתאימים ליחס הנפיצה של גל הכבידה הקפילרי), אז מתפתחת תהודה בין הגל לרוח, והגל גדל באמפליטודה שלו. כמו באפקטים אחרים של תהודה, האמפליטודה של הגל הזה גדלה באופן ליניארי בזמן. גם כאשר מאפייני שדה המהירות המקומי אינם תואמים במדויק את יחס הנפיצה, עדיין קיימת תהודה חלקית בין הגל לרוח, וקצב הגידול מתואר על ידי עקומת התהודה.
כעת הממשק שבין המים לאוויר ניחן במידה מסוימת של חספוס אודות לגלי הכבידה הקפילריים, ושלב שני בתהליך גידול הגל מתחיל. הגל שנוצר באופן ספונטני על פני המים מקיים אינטראקציה עם זרימת האוויר הטורבולנטית הממוצעת באופן שתואר על ידי Miles. התהליך שהוא הציע אנלוגי לאי-יציבות קלווין הלמהולץ, והמנגנון שהוא תיאר נקרא מנגנון השכבה הקריטית. שכבת אוויר קריטית נוצרת בין גובה פני הים לגובה בו מהירות הגל המתפתח c שווה למהירות הרוח הממוצעת U. כיוון שהזרימה טורבולנטית, הפרופיל הממוצע שלה הוא לוגריתמי, ו-Miles מצא שקצב העברת האנרגיה מהרוח לפני המים יחסי לעקמומיות של פרופיל המהירות של הרוח בנקודה בה מהירות הרוח הממוצעת משתווה למהירות הגל (בחלק העליון של השכבה הקריטית). האספקה של האנרגיה לממשק גורמת לאמפליטודה של הגל לגדול בזמן. כמו במקרים אחרים של אי-יציבות ליניארית, קצב הגידול של ההפרעה בשלב זה הוא מעריכי בזמן.
תהליך Phillips-Miles ממשיך עד שמצב שיווי משקל מושג, או עד הרוח מפסיקה להעביר אנרגיה לגלים.

החפת גלים ושינוי כיוונם

כשהגלים נעים ממים עמוקים למים רדודים, הצורה שלהם משתנה (גובה הגלים גדל, מהירותם פוחתת). תהליך זה נקרא החפת גלים (wave shoaling). החוק שמתאר איך גובה הגל במים רדודים משתנה כתלות בעומק המים המקומי נקרא חוק גרין.
שבירה (refraction) של גלים היא התהליך שמתחולל בעת שחזיתות הגלים מיישרות עצמן לכיוון קווי העומק כתוצאה מההגעה שלהן (וכניסתם לעומקי מים משתנים) בזווית חדה יחסית לקווי העומק. עומקים משתנים וזווית כניסה חדה של הגלים יגרמו לחלקים שונים של חזיתות הגלים לנוע במהירויות מופע שונות, כאשר חלקי החזית שנעים במים עמוקים יותר מתקדמים מהר יותר מאלו שנעים במים רדודים. התהליך הזה מביא להתעקמות חזיתות הגלים (ראו גם חוק סנל), והוא ממשיך עד אשר חזיתות הגלים הופכות (כמעט) מקבילות לקווי העומק. הקרניים המייצגות את התקדמות הגלים - קווים ניצבים לחזיתות הגלים אשר ביניהם זורם שטף אנרגיה קבוע - יתכנסו ויתבדרו בהתאם לפרופיל הקרקעית בחוף. לפיכך, אנרגיית הגלים בין הקרניים תעלה בצפיפותה כאשר הקרניים יתכנסו, והתוצאה היא גידול משמעותי בגובה הגלים.
בגלל שהתהליכים הללו קשורים בשינוי המרחבי במהירות המופע, ובגלל שמהירות המופע משתנה גם בהתאם לזרם המים הנוכח בסביבת הגלים - אודות לאפקט דופלר - אותם התהליכים של שבירה ושינוי בגובה הגל מתרחשים גם אודות לשינויים בזרמי המים. במקרה שגל פוגש בזרם ים נגדי הוא הופך תלול יותר, כלומר גובהו גדל בעוד אורכו מתקצר, בדומה לתהליך ההחפה שעוברים גלים כאשר עומק המים פוחת (ראו גם אינטראקציית גל-זרם).

שבירת הגל

במים רדודים (כאשר עומק המים קטן בהרבה מאורך הגל), גל "נשבר" כשעומק המים הוא 80% מגובה הגל, מכיוון שהקרקע הרדודה מפריעה לתנועה המעגלית של פרודות המים היוצרת אותו. במקומות בהם החוף חולי ויש גלים הקרקעית אינה ישרה אלא גלית כתוצאה מתנועת הגלים. החלקים הרדודים יותר נקראים שרטון והעמוקים יותר "תעלה". כשגל המגיע מהים נתקל בשרטון הוא "נשבר" והופך לקצף. לאחר השבירה גובה הגל יורד ומגיע לתעלה, בה הוא ממשיך להתקדם משום שעומק המים עמוק יותר משליש גובהו, ומגיע לשרטון הבא, שם הוא נשבר שוב וחוזר חלילה עד ההגעה לקו החוף. 
כאשר קו החוף כמעט אנכי, הגלים לא נשברים, אלא דווקא מוחזרים. מרבית האנרגיה נשמרת כאשר הגל מוחזר אל הים הפתוח. תבניות התאבכות נגרמות כתוצאה מהסופרפוזיציה של הגלים הפוגעים והגלים המוחזרים, והסופרפוזיציה יכולה לגרום לאי-יציבות מקומית כאשר שיאים מצטלבים, כך שהשיאים הללו יכולים להישבר אודות לאי-יציבות זאת (בעוד הגלים הפוגעים והגלים המוחזרים לא אמורים להישבר, הגל השקול שנוצר - הסכום שלהם - עשוי להיות בעל תלילות גבוהה מדי מכדי להישאר יציב).

זרם נסיגה (Rip current)

זרם הנסיגה (החזרה) הוא זרם של מים החוזר מכיוון החוף אל כיוון הים.
כשגלים מגיעים לחוף הם מביאים איתם הרבה מים. מים אלה חוזרים לעומק דרך הזרם הנסיגה. במקום בו נמצא זרם הנסיגה המים יותר עמוקים מכיוון שהזרם סוחף איתו חול לעומק. בזרם הנסיגה הגלים יותר נמוכים.

שבירת גלים

גל נשבר (breaking wave), המכונה גם משבר (breaker), הוא גל אשר האמפליטודה שלו מגיעה לערך קריטי שבו תהליך מסוים מתחיל להתרחש שגורם לכמויות גדולות של אנרגיית גל להפוך לאנרגיה קינטית של טורבולנציה. בנקודה זו, מודלים פיזיקליים פשוטים יחסית שמתארים את הדינמיקה של הגלים הופכים לעיתים קרובות לבלתי תקפים, במיוחד אלו שמניחים התנהגות ליניארית.

סוגי גלים נשברים

שבירה של גלי מים יכולה להתרחש בכל מקום שבו האמפליטודה מספיקה, כולל באמצע האוקיינוס. אף על פי כן, היא נפוצה למדי בחופים שכן גובה הגלים מוגבר באזור של המים הרדודים יותר (משום שמהירות החבורה נמוכה יותר שם). ישנם ארבעה סוגים של גלים נשברים - אלו הם גלים נשפכים (spilling), גלים צוללים או גלי צינור (plunging), גלים קורסים (collapsing), וגלים גואים (surging), כאשר הפרמטר חסר הממדים שמכתיב איזה סוג שבירה יתרחש כתלות במאפייני החוף נקרא מספר איריברן (Iribarren number), ומוגדר כך:
, כאשר α היא זווית השיפוע של קרקעית החוף, H הוא גובה הגל ו-L₀ הוא אורך הגל במים עמוקים. עבור טווחי ערכים שונים של הפרמטר מתקבלים סוגי שבירה שונים. להלן מתוארים כל אחד מסוגי השבירה האפשריים:

גלים נשפכים

כאשר לקרקעית האוקיינוס יש שיפוע מתון, הגל יהפוך תלול יותר ויותר עד שהשיא שלו ייהפך לבלתי יציב, מה שמביא להופעת שכבת מים לבנה וטורבולנטית הנשפכת במורד פני הגל. תהליך זה ממשיך כל עוד הגל מתקרב אל החוף, והאנרגיה של הגל נשחקת בהדרגה בטורבולנציה שמתפתחת. מסיבה זו, גלים נשפכים נשברים במשך זמן ארוך יותר מאשר סוגי משברים אחרים, ושבירתם נחשבת עדינה יותר משל גלים אחרים. תנאי רוח אונשור מערערים את יציבות הגלים ומקדימים את עיתוי תהליך השבירה, ובכך מגדילים את הסבירות להיווצרות גלים נשפכים.
לגלים נשפכים מתאים מספר איריברן  .

גלי צינור

גלי צינור נוצרים כאשר קרקעית האוקיינוס תלולה או שהיא בעלת שינויי עומק פתאומיים, כמו אלו שגורמים שוניות או שרטונים. השיא של הגל הופך תלול בהרבה מאשר זה של גל נשפך, לאחר מכן הופך אנכי, ואז מתערבל על עצמו וצולל אל תוך השפל של הגל, תוך שהוא משחרר את רוב האנרגיה שלו בבת אחת בפגיעה אלימה יחסית. גל צינור נשבר תוך שחרור אנרגיה רבה בהרבה מאשר גל נשפך הגבוה ממנו משמעותית. הגל יכול גם ללכוד ולדחוס אוויר תחת הלשון שלו, מה שיוצר את קול "הפצפוץ" המקושר אל הגלים הללו. כאשר הגלים גבוהים מספיק, קול זה יכול להישמע אפילו על ידי אנשים ששוהים בחוף. תנאי רוח מסוג אופשור מאפשרים לגל להתקרב יותר אל החוף מבלי להישבר, ובכך מגדילים את הסיכוי לשבירה מאוחרת, פתאומית ואלימה יותר - ועל כן מגדילים את הסבירות להיווצרות גלי צינור.
אם חזית הגל אינה מקבילה לחוף (או לקרקעית שלו), חלק הגל שמגיע למים הרדודים ראשון יישבר ראשון, ומקטע השבירה ינוע רוחבית לאורך פני הגל כאשר הגל מתקדם. זהו ה-"צינור" שגולשים מקצועיים מנסים כל כך לתפוס. הגולש בדרך כלל מנסה להישאר בסמוך או מתחת ללשון המתרסקת, תוך שהוא מנסה להישאר "עמוק" ככל האפשר בתוך הצינור ובד בבד להישאר בעל היכולת להישאב קדימה ולצאת מהצינור לפני שהוא נסגר. גל צינור שהחזית שלו מקבילה לחוף יכול להישבר לכל אורכו בבת אחת, מה שהופך אותו לבלתי ניתן לרכיבה ומסוכן. גולשים מקצועיים נזהרים בדרך כלל מלהיקלע בסמוך לגלים אלו.
לגלי צינור מתאים מספר איריברן .

גלים קורסים

גלים קורסים הם הכלאה בין גלים נשפכים וגלי צינור, בכך ששיא הגל אינו נשבר באופן מלא, אולם חלקה התחתון של ערימת המים שמהווה את הגל כן נעשה תלול יותר וקורס, מה שמביא ליצירת קצף לבן.

גלים גואים

משברים אלו הם תוצאה של גלים עם זמן מחזור ארוך ובעלי תלילות נמוכה, או חופים תלולים למדי (מספר איריברן שלהם הוא הגבוה ביותר). גלם אלו למעשה אינם נשברים כלל אלא מציפים את החוף, ממש כשם שהגאות מציפה את החוף. החלק החזיתי והשיא של הגל נשארים חלקים באופן יחסי עם מעט קצף או בועות, כך שנוצר אזור גלישה צר למדי, והם אינם מועילים במיוחד לגולשים מקצועיים. בחופים תלולים במיוחד, האנרגיה של הגל עשויה להיות מוחזרת על ידי הקרקעית בחזרה אל האוקיינוס, מה שיגרום להיווצרות גלים עומדים.
לגלים גואים מתאים מספר איריברן .