Monster waves decoded

Legendäre Geschichten über mysteriöse Monsterwellen, die aus dem Nichts auftauchten und selbst die größten Schiffe zum Kentern gebracht haben sollen, galten lange Zeit als Seemannsgarn.

Sie verloren ihren Mythos erst, als eine dieser Riesenwellen erstmals am 1. Januar 1995 an der norwegischen Draupner-Ölbohrplattform in der Nordsee mit einer Wellenhöhe von 18,5 Metern aufgezeichnet wurde und eine intensive Forschung auslöste. Die bis heute höchste durch eine Messboje ermittelte Wellenhöhe wurde am 8. September 2019 etwa 2,5 km vor Port aux Basques auf Neufundland gemessen, neben mehreren Wellen von ca. 25 m eine einzelne mit einer Wellenhöhe von 30,2 Metern.

Aufzeichnung der „Draupner-Welle“ 1995. Quelle: CC BY-SA 3.0

Dabei wirken Wellen aus verschiedenen Richtungen extremer als extrem. So können Wasserwellen viermal steiler sein als bisher für möglich gehalten. Das zeigt eine Studie der niederländischen Technischen Universität (TU) Delft, der Universitäten Edinburgh und Oxford sowie weiterer Universitäten, die im September 2024 im Wissenschaftsjournal Nature veröffentlicht wurde.

Danach gelang es im Jahr 2018 den Forscherinnen und Forschern der Universitäten Edinburgh und Oxford erstmals, die „Draupner-Welle“ unter Labor-Bedingungen nachzubilden. In einem kreisförmigen Becken (FloWave Basin) mit einem Durchmesser von 25 Metern konnten Wellen aus mehreren Richtungen erzeugt werden, deren Untersuchung unerwartete Erkenntnisse brachte.

Das FloWave Basin erzeugt multidirektionale Wellen. Quelle: Uni Edinburgh

Entstehung von Wasserwellen

Die Forschungen zeigen nun, dass diese bemerkenswerten Wellen nicht brechen, obwohl sie nach herkömmlichen Theorien brechen sollten. Der Grund liegt in der Entstehung der Wellen, wie der Leiter der Studie und Experte für Strömungsmechanik an der TU-Delft erklärt. Die untersuchte Wellenart tritt in offenem Wasser auf und entsteht, wenn Wellen aus mehreren Richtungen zusammenkommen. Dann wird das Wasser nach oben gedrückt und bildet eine teilweise stehende sogenannte Kreuzungswelle. Dies kann an einer Stelle geschehen, an der zwei Meere aufeinandertreffen, oder wenn die Winde plötzlich ihre Richtung ändern, wie bei einem Orkan. Die Studie zeigt auch, dass die entstehende Querwelle umso größer ist, je frontaler die Wellen aufeinander treffen.

Brechende Wellen

Wandernde Wellen (an Stränden zu beobachten) brechen, wenn sie ihre maximale Steilheit (Grenze) erreichen. Die Studie zeigt, dass Wellen mit einer multidirektionalen Ausbreitung bis zu achtzig Prozent steiler als diese Grenze werden können, bevor sie zu brechen beginnen. Das bedeutet, dass sie fast doppelt so hoch werden können wie „normale Wellen“, bevor sie zu brechen beginnen.

Im Labor erzeugtes Wellensystem. Quelle: TU-Delft

Wachsende Wellen

Als Nächstes fanden die Forscherinnen und Forscher ein weiteres, höchst ungewöhnliches Phänomen, das laut des Leiters der Studie den bestehenden Theorien widerspricht: „Sobald eine herkömmliche Welle bricht, bildet sie eine weiße Kappe, und es gibt keinen Weg zurück. Aber wenn eine Welle mit einer hohen Richtungsausbreitung bricht, kann sie weiter wachsen.“ Insgesamt können diese Wellen also viermal steiler und damit höher werden als bisher für möglich gehalten.

Messmethode

Eine im FloWave-Labor entwickelte dreidimensionale (3D) Messmethode ebnete den Weg für diese neuen Erkenntnisse. Herkömmliche 2D-Wellenmessmethoden waren der Aufgabe nicht gewachsen, so der Studienleiter. Die Forschungsgruppe entwickelte deshalb eine neue Methode zur 3D-Messung von Wellen, die ein viel detaillierteres Verständnis des komplexen Wellenbrechungsverhaltens ermöglichte.

Auswirkungen

Die Dreidimensionalität von Wellen werde bei der Konstruktion von Offshore-Windturbinen und anderen Strukturen im Allgemeinen oft übersehen, denn die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass bisherige Konstruktionen weniger zuverlässig seien, so der Leiter der Experimente der Universität Oxford. Diese Erkenntnisse können und müssen also dazu beitragen, zukünftig sicherere Meeresstrukturen zu entwerfen. Bereits errichtete Offshore-Installationen sollten zumindest nachberechnet werden.

kdk, SWZ Maritime, TU-Delft