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Die Mathematik der Monsterwelle

Physik. - Riesenwellen, die sich unvermittelt vor einem Schiff auftürmen und es im Extremfall zum Kentern bringen – lange galten sie als pures Seemannsgarn. Doch seit klar ist, dass es solche Monsterwellen tatsächlich gibt und dass sie beträchtliche Schäden anrichten, stehen sie im Fokus der Forscher. Jetzt sind Experten der Entstehung dieser maritimen Monster auf die Spur gekommen. Vorgestellt haben sie ihre Ergebnisse auf der Tagung "Extreme Events", die gerade in Hannover stattfindet.

Von Frank Grotelüschen | 14.02.2013

    Auf der Brücke der "Sea Princess", einem Kreuzfahrtschiff. Der Steuermann schaut auf die See. Das Wasser ist aufgewühlt, aber nicht stürmisch. Doch plötzlich taucht wie aus dem Nichts eine Riesenwelle auf. Das Schiff steigt regelrecht auf ihr empor, dann stürzt es in das Wellental. Dort trifft es so heftig auf das Wasser auf, dass ein mächtiger Schlag den Rumpf erzittern lässt. Die Mannschaft ist geschockt, doch die "Sea Princess" übersteht den Vorfall ohne große Schäden. Andere Schiffe dagegen hatten weniger Glück, sagt Professor Norbert Hoffmann vom Institut für Mechanik und Meerestechnik der TU Hamburg-Harburg.

    ""Es sind zahlreiche schwere Unfälle auf See mit Schiffen und auch Offshore-Strukturen bekannt, hinter denen sich große Monsterwellen verborgen haben."

    Bis zu zehn Schiffe pro Jahr werden durch Riesenwellen stark beschädigt oder sogar versenkt, so die Schätzungen. Hoffmann und seine Leute wollen verstehen, wie sich solche Monsterwellen überhaupt bilden und wie man sie durch mathematische Formeln und Gesetze beschreiben kann. Mit einfacher, linearer Mathematik ist es dabei nicht getan.

    "Wenn Sie zwei Taschenlampen kreuzen, gehen die Strahlen unbeschwert durcheinander durch."

    Das gehorcht der linearen Mathematik.

    "Wenn Sie zwei Wasserschläuche kreuzen, gibt das ein Riesensauerei."

    Das hingegen ist ein so genanntes nichtlineares Phänomen: Die beiden Wasserstrahlen durchdringen sich nicht einfach, so wie Licht. Sondern sie beeinflussen sich massiv, und am Treffpunkt spritzt das Wasser in alle Richtungen davon.

    "Und so ist das auch mit Wasserwellen im Ozean. Man kann nicht einfach zwei Wellenzüge überlagern. Sondern diese beiden Wellenzüge wechseln sehr intensiv miteinander."

    Diese Wechselwirkung, so haben die Forscher mit ihren nichtlinearen Gleichungen berechnet, kann bewirken, dass eine Welle ihren Nachbarwellen Energie entzieht, sie regelrecht leersaugt.

    "Das führt dann dazu, dass sich die Energie für einige Minuten in einen zentralen Bereich fokussiert, eine sehr große Welle bildet, um anschließend wieder auseinanderzulaufen, sodass dann das Seegebiet wieder völlig extremwellenfrei ist."

    Soweit die Theorie. Um sie zu überprüfen, machten die Forscher einen Versuch, und zwar im laboreigenen Wellenkanal.

    "Der Wellenkanal ist 15 Meter lang","

    sagt Hoffmanns Kollege Amin Chabchoub,

    ""an einem Ende haben wir einen Strand installiert, um die Wellenreflexion zu vermeiden. Am anderen Ende ist eine Wellenklappe installiert, die uns die Wellen so generiert, wie wir die haben wollen."

    Das Ganze passierte im Mini-Maßstab, mit Wellen, die gerade mal 3 Millimeter hoch waren. Dennoch gelang es den Forschern auf der Basis ihrer Berechnungen, eine Monsterwelle zu erzeugen, die fünfmal höher war als alle anderen Wellen – also 1,5 Zentimeter. Und das reichte, um ein kleines Spielzeug-Boot zum Kentern zu bringen. Die Theorie der Forscher war bewiesen. Norbert Hoffmann:

    "Der grundlegende Mechanismus der Monsterwellen ist deutlich klarer geworden. Der Mechanismus, der sich hier zeigt, erklärt diese traditionellen Erzählmuster der Seefahrer: Die Seefahrer sprechen von weißen Wänden – das sind sehr große Einzelwellen. Dann sprechen sie von drei Schwestern – das sind drei große Wellen, die aufeinanderfolgen. Und manchmal auch von Löchern im Meer. Und all diese Phänomene sind mehr oder weniger Ausprägungen eines gemeinsamen Mechanismus."

    Erkenntnisse, die nun helfen sollen, Prognosen zu erstellen, so etwas wie einen Monsterwellen-Bericht. Der soll einem sagen, in welchen Seegebieten in den kommenden Tagen mit Riesenwellen zu rechnen ist. Dieses Seegebiete sollten Schiffe dann meiden und vorsichtshalber eine andere Route wählen.