Monsterwellen vor den Küsten Südafrikas

Im Interview mit Professor Norbert Hoffmann, Wellenforscher an der TU Hamburg-Harburg

(Autor: Ghassan Abid)

© Professor Norbert Hoffmann, Wellenforscher am Institut Mechanik und Meerestechnik der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH).

© Professor Norbert Hoffmann, Wellenforscher am Institut Mechanik und Meerestechnik der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH).

2010sdafrika-Redaktion: Wir begrüßen auf „SÜDAFRIKA – Land der Kontraste“ Herrn Prof. Norbert Hoffmann, Wellenforscher am Institut Mechanik und Meerestechnik der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH). Seit Jahrhunderten sind Geschichten von Seefahrern bekannt, die Monsterwellen thematisieren. Welche Wellenarten gibt es und welche Faktoren dienen als Kategorisierung einer Monsterwelle?

Antwort: Aus der Erzählwelt der Seefahrer und Meeresforscher sind eine Vielzahl ungewöhnlich anmutender Phänome im Zusammenhang mit Meereswellen und Seegang bekannt. Immer schon scheinen sie Eingang in Mythen und Literatur gefunden zu haben, wie beispielsweise in die Geschichte zur Teilung des Roten Meeres der Bibel, oder auch Seefahrerepen wie Homers Odyssee. Erst seit etwa dem 19. Jahrhundert finden sich naturwissenschaftlich orientierte Textdokumente, in erster Linie aus den Bereichen der Kriegsschifffahrt, aber auch aus der Explorations- und Entdeckungsgeschichte, wie z.B. von Ernest Shackleton.

Beschrieben werden scheinbar mehrere verschiedene Phänomene. Zunächst die ‚Weiße Wand‘, eine aus dem Seegang markant herausstechende äußerst hohe Einzelwelle, auch oft als ‚Kaventsmann‘ bezeichnet. Eine Vielzahl von Schilderungen gelten auch den ‚Drei Schwestern‘, einer Wellengruppe von meist drei aufeinander folgenden extrem hohen Einzelwellen. Während bei diesen beiden Wellentypen die Wahrnehmung besonders auf die Wellenberge gerichtet scheint, gibt es zudem Berichte über extreme Wellentäler, bisweilen als ‚Löcher im Meer‘ bezeichnet.

In der heutigen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Forschung spricht man phänomenologisch von einer Monsterwelle, oder auch Freak Wave oder Rogue Wave, wenn die auftretende Wellenhöhe, also die Höhendifferenz zwischen Wellental und Wellenberg, besonders ausgeprägt ist. Als Maß wird hier meist der Vergleich zu den im umliegenden Seegebiet vorliegenden Wellen gewählt. Nimmt man von den dortigen Wellen nur dasjenige Drittel, welches die höchsten Wellenhöhen aufweist, und mittelt deren Höhe, so ergibt sich die sogenannte signifikante Wellenhöhe. Von einer Monsterwelle spricht man, wenn die Wellenhöhe mindestens doppelt so hoch ist, wie die im Umfeld vorliegende signifikante Wellenhöhe.

2010sdafrika-Redaktion: Vor Kurzem fand die Umweltforschungstagung „Extreme Events“ in Hannover, organisiert von der Volkswagenstiftung, statt, an der Sie auch teilgenommen hatten. Wie entstehen Monsterwellen und wo tritt dieses Phänomen besonders stark auf?

Antwort: Es ist heute bekannt, dass Monsterwellen in fast allen Seegebieten auftreten können. Gehäuftes Auftreten zeigt sich in Gebieten mit starken Meeresströmungen, in Küstennähe, und in nicht zu tiefen Seegebieten mit besonderer Topographie des Meeresbodens. Monsterwellenereignisse sind aber auch aus vielen anderen Regionen dokumentiert.

Bekannt sind zudem auch mehrere Mechanismen, die zu besonders markanten, extremen Wellen führen können. Zunächst können sich Wellen, die in verschiedenen Bereichen – beispielsweise durch Stürme – erzeugt wurden, verstärkend überlagern. Ähnliche Effekte treten bei Veränderung der Bodentopographie auf, oder auch bei Vorliegen starker Meeresströmungen: Beide Einflüsse können, ebenso wie Linsen in der Optik, zur Fokussierung von Wellenenergie führen. Fokussierungseffekte allein scheinen aber nicht der alleinige Grund für das Entstehen von Monsterwellen zu sein, dafür stimmen die entsprechenden theoretische Erwartungen und die Beobachtungen nicht gut genug überein.

Mehr und mehr setzt sich daher in der Wissenschaft derzeit die Erkenntnis durch, das Fokussierungs- und Überlagerungseffekte nur einen – wenn auch wichtigen – Anteil an den Ursachen der Bildung von Monsterwellen haben. Ein weiterer Anteil scheint in der sogenannten nichtlinearen Dynamik von Wasserwellen zu liegen. Bei genauer Betrachtung von Wasserwellen stellt sich heraus, eine Erkenntnis, die bereits im 19. Jahrhundert gewonnen wurde, dass sich Wellenzüge aus unterschiedlichen Quellen nicht einfach wechselwirkungsfrei überlagern, sondern miteinander in komplexe Interaktionen treten, wenn hinreichend Zeit oder Raum für die Wechselwirkung besteht. Dies ist offensichtlich im offenen Meer der Fall, und seit wenigen Jahren wird eine besondere Klasse nichtlinearer Wellenphänomene als eigentlicher Kern der Monsterwellen vermutet: sogenannte Breather-, oder Atmerwellen. Anschaulich verwandelt eine Breather-Welle sonst ruhigen, unauffälligen Seegang derart, dass für kurze Zeit in einem eng begrenzten Seegebiet quasi aus dem Nichts heraus eine große Welle entsteht – und wieder verschwindet. Die für die Monsterwelle notwendige Bewegungs- und Lageenergie wird dabei temporär aus umgebenden Wellenbereichen entnommen.

Auch wenn hinsichtlich der Gesamtproblematik noch viele Fragen offen sind, zeichnet sich in den bearbeitenden wissenschaftlichen Disziplinen nun seit einigen Jahren eine Arbeitshypothese ab, die sich mehr und mehr zu erhärten scheint. Zunächst treten Monsterwellen häufiger in schwerer See auf, als in schwacher. Für das Auftreten schwerer See können Überlagerungseffekte sorgen. Die einzelne Monsterwelle hingegen scheint dann eine Realisierung einer nichtlinearen Wellenwechselwirkung zu sein. Deren Verursachung ist im Detail noch umstritten. Diskutiert werden Eigenschaften des zu Grunde liegenden Seegangs, aber auch Wechselwirkung mit bzw. Erregung durch Sturmböen oder Strömungen.

    © Monsterwellen mit einer Höhe von bis zu 30 Metern treten auch vor den Küsten Südafrikas auf. Wellenforscher Hoffmann hält fest, dass ein gehäuftes Auftreten sich in Gebieten mit starken Meeresströmungen, in Küstennähe, und in nicht zu tiefen Seegebieten mit besonderer Topographie des Meeresbodens zeigt. (flickr/ Joe Thomissen)

© Monsterwellen mit einer Höhe von bis zu 30 Metern treten auch vor den Küsten Südafrikas auf. Wellenforscher Hoffmann hält fest, dass ein gehäuftes Auftreten sich in Gebieten mit starken Meeresströmungen, in Küstennähe, und in nicht zu tiefen Seegebieten mit besonderer Topographie des Meeresbodens zeigt. (flickr/ Joe Thomissen)

2010sdafrika-Redaktion: Professor Mallory von der Universität Kapstadt warnte bereits in den 70er Jahren vor den bis zu 20 Meter hohen Monsterwellen, die in Südafrika als „rogue wave“ bezeichnet werden. Andere Forscher gehen von bis zu sogar 30 Meter hohen Wellen aus. Warum erforscht die Wissenschaft erst jetzt dieses Phänomen?

Antwort: Das Phänomen der Monsterwelle ist auch in der Wissenschaft bereits seit langem bekannt. Der langsame Fortschritt im Verständnis geht aus meiner Sicht auf zwei Ursachen zurück. Zunächst ist die mathematische Theorie der nichtlinearen Wellen eine der komplexesten Disziplinen der angewandten Mathematik und der Wellenphysik. Wesentliche theoretische Erkenntnisse, gerade auch zu den Breather-Wellen, haben sich in der Tat erst in den 80er und 90er Jahren des letzten Jahrhunderts ergeben, und das Feld ist gerade momentan erneut in heftiger und produktiver Bewegung. Eine andere Schwierigkeit besteht in der Beobachtung der seltenen Monsterwellen im Meer, also der Datenlage, oder aber auch der experimentellen Realisierung solcher Ereignisse, um sie im Labor zu studieren. Beobachtungen im Meer sind schwierig, und auch heute liegen nicht besonders viele Messungen von Wellensonden und Bojen vor, die tatsächlich Monsterwellenereignisse dokumentieren. Satellitengestützte Untersuchungen stellten vor einigen Jahren einen großen Fortschritt dar und haben die Häufigkeit von Monsterwellen eindrucksvoll bestätigt, allerdings gibt es auch heute noch keine wirkliche messtechnisch belastbare Beobachtung, die das gesamte von einer Monsterwelle betroffene Wellengebiet im Zeitverlauf zeigen würde. Auch Modellversuche in Versuchsanlagen sind erst seit kurzem erfolgreich. Gerade einmal 2011 wurde die erste Breather-Welle, der wahrscheinlichste Kandidat für eine Monsterwelle, tatsächlich in verkleinertem Maßstab in einem Wellenkanal erzeugt, sodass versuchsbasierte Untersuchungen momentan eher noch am Anfang stehen.

2010sdafrika-Redaktion: SS Waratah, Esso Languedoc, Energy Endurance, VLCC Atlas Pride oder die Neptune Sapphire – alles Schiffe, die vor den Küsten Südafrikas infolge von Monsterwellen entweder untergingen oder schwer beschädigt wurden. Alle Unfälle passierten auf dem Agulhasstrom. Was hat es mit dieser gefährlichen Strömung auf sich?

Antwort: Starke küstennahe Meeresströmungen an den östlichen Küsten der Kontinente sind eine der unmittelbaren Folgen der globalen Ozeanzirkulation. Treten Wellen in Bereichen von Meeresströmungen auf, wird ihre Ausbreitung durch die Strömung beeinflusst. Laufen die Wellen beispielsweise entgegen der Strömungsrichtung, wird ihre Geschwindigkeit, ganz wie die Tonfrequenz beim akustischen Dopplereffekt, reduziert, wodurch die heranfließende Wellenenergie quasi aufgestaut werden kann und eine Vergrößerung der Wellenhöhen resultiert. Auch wird die Ausbreitungsrichtung von Wellen verändert, wenn die Wellen Seegebiete unterschiedlicher Strömungsstärke durchlaufen. Auch dieser Effekt kann zu räumlicher Fokussierung von Wellenenergie führen, ähnlich wie die Fokussierung von Lichtstrahlen beim Durchgang durch eine Glaslinse, dem Brennglaseffekt. Als Folge all dieser Effekte liegen im Bereich von starken Meeresströmungen, und eben auch im Agulhasstrom, oft sehr starke Seegänge vor. Diese können nun bereits an sich eine Herausforderung für die Seefahrt darstellen. Starke Seegänge können aber auch, entsprechend dem oben skizzierten Entstehungsmechanismus von Monsterwellen, zu besonders starken, gesondert auftretenden Monsterwellen führen, die besonders groß sein können, da ja bereits der zu Grunde liegende Seegang besonders ausgeprägt ist.

2010sdafrika-Redaktion: Welche Kräfte entfalten sich einer Monsterwelle auf ein Schiff?

Antwort: Der aktuelle Diskussionsstand geht davon aus, dass Monsterwellen etwa drei mal größer sein können, als der zeitgleich im Umfeld vorliegende Seegang. Die in einer Welle enthaltene Energie verhält sich aber quadratisch zur Wellenhöhe, sodass eine Monsterwelle im Vergleich zu einer sonst üblichen Welle etwa die neunfache Energie enthält. Aus dieser Überlegung heraus lässt sich bereits abschätzen, dass die von Monsterwellen auf Schiffe oder Offshore-Strukturen wirkenden Kräfte um Faktoren größer sind, als die von den üblichen, möglicherweise bereits sehr hohen Sturmwellen hervorgerufenen Kräfte. Verschärfend kann die Schiffsbewegung hinzukommen, etwa wenn das Schiff sich in ein besonders tiefes Wellental hineinneigt, oder in die Wellenfront prallt. Ebenso spielt eine Rolle, dass Monsterwellen oft derart hoch und steil sind, dass die Wellen in brechender Form auftreten, man denke etwa an die oft beschriebene ‚Weiße Wand‘ aus den Berichten von Kapitänen. Tritt solchen Wellenbrechen auf, bedeutet das grob gesprochen, dass Wassermassen nicht mehr in der gebundenen Bewegungsform der Welle vorkommen, sondern quasi im freien Flug mit dem Schiff oder der Offshore-Struktur kollidieren können. Und man kann sich leicht vorstellen, welche Kräfte wirken, wenn viele Kubikmeter frei fliegenden Wassers mit einer Geschwindigkeit von mehreren Metern pro Sekunde auf eine Struktur treffen.

2010sdafrika-Redaktion: Sie führten im vergangenen Jahr ein Lego-Wellen-Versuch durch. Zu welchem Ergebnis sind Sie mit diesem Versuch gekommen?

Antwort: Zur Visualisierung der Wellenphysik hatten wir ein kleines Spielzeugboot in unseren Wellenkanal gesetzt. Das Zusammentreffen mit einer Labor-Monsterwelle führte zum Kentern des Bootes. Wegen der Anschaulichkeit des Films wurde er als Begleitmaterial in die Originalveröffentlichung (http://prx.aps.org/abstract/PRX/v2/i1/e011015 ) aufgenommen, und ist heute auch leicht im Internet abzurufen, z.B. unter http://www.newscientist.com/blogs/nstv/2012/04/lego-pirate-proves-how-freak-waves-can-sink-ships.html. Weitergehende Versuche auf Basis realistischer Schiffsmodelle werden momentan durchgeführt.

Lego-Wellen-Experiment

2010sdafrika-Redaktion: Nach neuesten Forschungserkenntnissen soll kein Schiff einer Monsterwelle standhalten können. Weshalb gehen Ingenieure in der maritimen Hydraulikforschung immer noch davon aus, dass eine Welle nie höher als 15 Meter sein kann?

Antwort: Die Annahme einer maximalen Wellenhöhe von 15 Metern wird heute nicht mehr getroffen. Sie basierte auf älteren Ergebnissen zur Theorie nichtlinearer Wellen. Sowohl Beobachtungen, als auch theoretische Betrachtungen, deuten heute auf maximale Wellenhöhen von etwa 30 Metern bei wirklich extremen Monsterwellenereignissen hin.

Hinsichtlich der Festigkeit von Schiffsstrukturen ist anzumerken, dass sich heutige Konstruktion bereits wesentlich von früheren Ausführungsformen unterscheiden und sehr viel höhere Festigkeiten aufweisen. Viele der in der Vergangenheit katastrophalen Kollisionen von Schiffen mit Monsterwellen sind daher heute in vergleichbarer Form wohl nicht mehr zu erwarten. Dennoch stellen Monsterwellen extreme Belastungen dar, und die Bewertung von Auswirkungen und Risiken ist auch heute noch nicht letztlich abgeschlossen.

2010sdafrika-Redaktion: Inwieweit kooperiert die TU Hamburg-Harburg mit nationalen und internationalen Partnern auf dem Gebiet der Monsterwellenforschung?

Antwort: Unsere Forschungen zu Monsterwellen finden im Rahmen internationaler und interdisziplinärer Forschungsverbünde statt. Um wirksam Fortschritte in diesem komplexen Gebiet zu machen, bedarf es der Zusammenarbeit von Ozeanographen, Mathematikern, Physikern und Ingenieuren. Unumgänglich ist dabei auch die Kooperation von Grundlagenforschung und angewandter Forschung, von Universitäten und und anderen Forschungseinrichtungen. Besondere Fortschritte der letzten Jahre gehen insbesondere auf ein von der Volkswagenstiftung im Rahmen der Förderrichtung ‚Extremereignisse‘ unterstütztes Gemeinschaftsprojekt zurück, in dem Forscher aus Australien, Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Italien, Rußland und den USA zusammenarbeiten.

2010sdafrika-Redaktion: Erlauben Sie zum Schluss eine nicht-wissenschaftliche Frage: Waren Sie bereits in Südafrika bzw. was würden Sie sich gerne am Kap anschauen wollen?

Antwort: Leider hatte ich selbst noch keine Gelegenheit Südafrika zu bereisen. Als Wellenforscher würde es mich aber natürlich zunächst an das Meer ziehen, um mit eigenen Augen und Sinnen die Besonderheiten der südafrikanischen Küste, des Kaps, und des wunderbaren und in vieler Hinsicht wundersamen Meeres rund um Südafrika selbst kennenlernen und erfahren zu dürfen.

2010sdafrika-Redaktion: Norbert Hoffmann, Wellenforscher an der Technischen Universität Hamburg-Harburg, vielen Dank für das Interview!

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