Waves for Paddlers Understanding Lake and Ocean Waves with Pictures Greg Anderson Northeastern Illinois University 2017 The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 1 / 64 By Florian K - Own work, CC BY-SA 3.0 Local Motion In A Water Wave In deep water, waves oscillate in circles. The radius decreases with depth. The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 4 / 64 Local Motion In A Water Wave In deep water, waves oscillate in circles. The radius decreases with depth. The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 4 / 64 Local Motion In A Water Wave In deep water, waves oscillate in circles. The radius decreases with depth. The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 4 / 64 Local Motion In A Water Wave In deep water, waves oscillate in circles. The radius decreases with depth. The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 4 / 64 Local Motion In A Water Wave In deep water, waves oscillate in circles. The radius decreases with depth. The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 4 / 64 Local Motion In A Water Wave In deep water, waves oscillate in circles. The radius decreases with depth. The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 4 / 64 Local Motion In A Water Wave In deep water, waves oscillate in circles. The radius decreases with depth. The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 4 / 64 Local Motion In A Water Wave In deep water, waves oscillate in circles. The radius decreases with depth. The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 4 / 64 Local Motion In A Water Wave In deep water, waves oscillate in circles. The radius decreases with depth. The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 4 / 64 The Great Wave The Wave Local Motion In A Water Wave Wavelength & Period, & Height Wavelength (λ) Wave Period (T ) Idealized Wave Spectrum Wavelength & Period, Wave Height Lake Superior Buoy 45004 (2016) & Height Wave Speed & Dispersion Reflection, Refraction & Diffraction Combining Waves Shoaling and Breaking Group Velocity Stokes Drift The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 5 / 64 Wavelength (λ) Wavelength: the distance over which a periodic wave repeats. λ Distance 1λ 2λ 3λ λ The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 6 / 64 Wave Period (T ) Period: the time interval in which a periodic wave repeats. T Time 1T 2T 3T T Wave frequency = f =1/T . The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 7 / 64 Idealized Wave Spectrum Wave Period Wavelength Cause Capillary < 0.1 s < 0.02 m local wind Chop 1–10 s 1–10 m local wind Swell 10–30 s 102 m distant storms ∼ Seiche 10 m–10 hr 102 km pressure, storm surge ∼ Tsunami 10 60 min submarine disturbance − Tide 12.4, 24.8 hr 103 km Sun, moon ∼ The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 8 / 64 Wave Height Wave height: The vertical distance from peak to trough. MWL Height H . λ/7 (deep water) H . d/1.8 (shallow water) Amplitude: One half of the Wave Height. The vertical distance from Mean Water Level (MWL) to the peak or trough. The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 9 / 64 bbbbbbbbbbbbbbbbbb Lake Superior Buoy 45004 (2016) water depth = 237 m b 5 b b b NOAA NDBC b b b b (m) b s 4 b b H b b b b b b bb b bb b b b b b bb bb b b b bbb b b b bb b bb b b bbb bb 3 b bb b b b b b b b b bbb b bb b b bbb bb bb b b b b bbb bbb b b b bb bb b bbb b bb b b bb bb b b bb b bb b b bbbbb bbbb bb bb b bb bb bbb b b b b b bb b b b bbbbbbbbb bb bbb b bb b bb bbb b b bbbb bbbbbbb b bb b bbb bbb bb b b bbb bbb b b b bbb bb b bb bb b bbbbbb bbbb bbb b bb bbbbb bbbbb bb bb bb bbbb b bb bb bbbb bbbbbbb b b 2 b bbbb b bbb b bbb bbbbb b b b bb b bbb bbb bb bb bbbb bbbb b bbbbb bb b bbb bbbbbbbb bb bbbbb bbb b bb bbb bbbb b bb bbbbbbb bbbbbb bbbb b bbbbbbbbbbb b bbb bb b bb bbbbbb bbb bb b bbb bbbb bbbbbbbb bbb bbb bb b b bb bb bbbb bbbbbbbb bbb b b bbb bbbb bbbbbbbbbb bbbbb bb bb bbbbb bbbbbbbbb bbb bbb b b bbb bb bbbbbbb bbbbbbbbb bbbbbbb bbb b bbbbb bbbbbbb bbbbbbbb bbbbbbbbb bbbb bbbb bbbbb bb bb bbbbbbb bbbbbbbb bb bb b b bbbb bbbbb bbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbb bbbbb b b bbbb bbbbbb bbbbbbb bbbbbbbbb bbb b b b b bbb bbbbb bbbbbbbbbb bbbb bbb b b b bb bb bbbbbbb bbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbb b bb bb bb bbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbb bbbbbbbb bbbbbbb bb b bbbbbbbb bbbbbbbb bbbbbbbbbb bbbbbbb bbbbb bb b b b b bbb bbbbbbb bbbbbb bbbbbbb bbbb bbb b b b bbbbb bbbbbbbb bbbbbb bbbbbbb bbbbbb b bb bb bbbbbb bbbbbbbbbb b bbbbbb bbbbbbbbb bbbbb bb bbbb bbbb bbbbbbbb bbbbbbb bbbbbbb bbbbbbbbbbb bbbb bb b b b bbb bbbbbbbbb bbbbbb bbbbbbbbbbbbb bbbbbbb bbbbb bbb b b bbbb bbbbb bb bbbbbb bbb bbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbb bbbbbbbbb bb bbb b b b bbbb bbbbb bbbbbbbbb bbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbb bbbb bbb bbb b b b b bb bbbbbbb bbbbbbbb bbbbbbb bb bbbb bbbbbb bbbbbbbbbbb bbb bb b b b bbb bbb bbbbbb bbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbb bbbbb bbbbbbbbbbbbb bbb bbbb b b b bbb bbbbbbbbbb bbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbb bbbb bbbbbb bb bbb b bbb 1 b bb bb bbbbbbbbb bbbbbbb bbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbb b bbbb bbb b b b b bbb bbbb bbbbbb bbbbbbbbbbb bbbbbb bbbbb b bbbb bbbbbbbbbbbb bbbbbbb bb bb bbb bbbb bbb bbbbbb bbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbb bbb bb b bbbbbbb bbbbbb bbb bbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbb bbb bbbbbbb bbb bbbbbbb bbbbbbbb bbbbbbbb bbb b b bbbb bbbbbb bbbb bbbbbbbbb bbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbb bbb b b b b bbbb bbbbbb bbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbb b bbbbbbbbbbb b bbbbbbbbbbb b bbbbbbbbbbbbbbbbb bb bbbbb b b b b bbbb bbbb bbbbbb bbbbbbbbbbbbbbb bbbb bbbbbb bbbb bbbbbbbbbbbb bbbbb bbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbb bbbbb b bbbb b b bbbb bbbbbbbbbb bbbbbbbb bbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbb bbb bbbbbbbbbbbb bbbbbb bbbbbb b b b b bb b bb bb bbbbb bbbb bbbbbbbbbb bbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbb bbbbbbbb bbb bb bbb b b b bb bbbbb bbb bbbbbbbbbbbb bbbbbbbb bbbbbbbb bb bbb bbbbbbb bbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbb bbbbbbb bbbbbbbbbbb bbbbb bbbb bbbbbb b bbb b bbbb bbbbbb bbbbb bbbbb bbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbb bbbbbbbb bbbb bb bb bb b bbbb bbbbbbb bbbbbb bbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbb bbbb bbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbb bbbbb bbbbbb bbbbbbbb bb bbb b b b b b bbbb bbb bb bbbbb bbbbbb bbbbbbbbbbbb bbbbb bbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbb bbbb bb b bbb b b b bb bbbb bbbbb bbbbbbbbb bbbbbbbbbb bbbb bbbbb bbbbbbb bbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbb bbbb bb bb b b b bb bb bbbb bb bbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbb bbbbb bbbbbbbbbb bb bbbbbbbbbbbbbb bbbbbb bbbbbbb bbbbbb bbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbb bb b bbb b b b bb bbb bbbbb bbb bbbbbbbbbbbb bbb bbbbb bbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbb bb bbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbb bbbbbbb bbbbb bbbb bb bbb b bbb bbbbbb bbb bbbbbbbb bbbbbbbbbb bbb bbb bbbbb bbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbb bbb bbbbbbb bbbbbb bbb bbbbbbbbbbbbbbb bb bbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbb bbbbbbbb b b b bbb b bbbb bb bbbbbbbbb bbbbb bbbb b bbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbb bbb bbbbbbbbbbb bbbbbbbbb bb bbbbbbbbb bbbbbb bb bbbbbbbbbbb b bbbbbbbbbbb bb bbbbb bb bb b bbb bbbbbbb bbb bbbbbbb bbbbbbbb bbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbb bbbb bbbbbbbbb bbbbbbb bbbbbbbbb bbbb bbb bbb bb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbb bbbbbbbbbbb bbb b bbbbbb bbbbb bb bbb bb bb b bb bbb bbbbbbbb bbbbbbbbbbb bbbb bbbbb b bbbbbbbb bbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbb bbbb bbbbbb bbbbbbbbbbbbb bbbb bbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbb bbbb b b bb b bbb bbbbbbbbb bbbb bbbb bbbbb bbb bbbbbb bbbbbbbbbbb bbb bbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbb bb bbb bbbb bbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbb bbbbb bb b b b bbbbbb bbbbb bbbbb bbbb bbbb bbbbb bbbbb bbbbbbbbb bbb bbbbbbb bbbbbbbbbbbb bbbbbbb b bbbb bbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbb bbbb b bbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbb b bbbbb bbbb bbb bbbb bb bb bbbbbbb bbbbbb bbbbbbbbbb bbbbbbbbbb bbbbbbbb bbbbbb bbb bbbb bbbbbbbbbbb bbbb bbb bbbbbbbbbb bbbbbbb bbbbbb bbbbbbb bbbb bbbbbbbbbbb bbbbbb bbb bbbbbbbbbbbbbb b bbbbbbbbbbbb bbbbbbb bbb b b b Significant Wave Height b b bbb bbbbbbb bbbbbbb bbb bbbbbbbbbbbb bbbbbb bbbbbbbbbbb bbbbbbb bbb bbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbb bbbbbbb bbbbbbbbbb bbbbbbbb bbb bbb bb bb bb bb b b b bbb bb bbb bbb bbbbbb bbb bbb bbbb b bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb 0 bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 Dominant Wave Period (seconds) The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 10 / 64 The Great Wave The Wave Local Motion In A Water Wave Wavelength & Period, & Height Wave Speed & Dispersion Wave Speed Dispersion Wave Speed & Estimating Wave Speeds Wave Speeds in Deep Water Dispersion (d > λ/2) Deep vs Shallow Regimes Reflection, Refraction & Diffraction Combining Waves Shoaling and Breaking Group Velocity Stokes Drift The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 11 / 64 Wave Speed The phase velocity of the wave satisfies: λ = cT t =0 x The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 12 / 64 Wave Speed The phase velocity of the wave satisfies: λ = cT t = 1T 8 x The Gales 2017 G. Anderson Waves for Paddlers – slide 12 / 64 Wave Speed The phase velocity of the wave satisfies: λ = cT t = 2T 8 x The Gales 2017 G.