Wissenschaftler der TU Hamburg sind dem Rätsel der Entstehung von Riesenwellen auf der Spur

15.08.2011

Sie sind rätselhaft und gefürchtet, und niemand kann vorhersagen, wo und wann sie auftauchen: Riesenwellen können Schiffe auf hoher See beschädigen und etliche bis heute verschollene Schiffe gehen vermutlich auf ihr Konto. Schon lange sucht die Fachwelt nach einem Modell, um das Entstehen von Monsterwellen abbilden zu können. Zum ersten Mal ist dies jetzt einem deutsch-australischen Forscherteam von der TU Hamburg und der National University in Canberra zum ersten Mal gelungen.

Der Physiker Prof. Norbert Hoffmann und der Mathematiker Amin Chabchoub vom Institut für Mechanik und Meerestechnik der TU Hamburg sowie der australische Physiker Nail Akhmediev von der National University in Canberra erzeugten eine Monsterwelle im Labor nach einer mathematischen Lösung. Dabei haben sie sich eine mathematische Gleichung und eine ihrer Lösungen vorgenommen, um die Theorie in der Praxis zu belegen. Der Nachweis im Versuch gelang im 15 Meter langen Wellenkanal an der TUHH. Ein Paddel erzeugt die Wellen, so dass Modulationen entstehen, ähnlich wie sie durch Wind auf dem offenen Meer hervorgerufen werden können. Diese verursachen schließlich das Anwachsen einer Welle, die dreimal so hoch ist wie die Wellen vorher und nachher.

Der Modellversuch folgt der nichtlinearen Schrödinger-Gleichung, einer vereinfachten Modellgleichung für Wasserwellen. „In dieser Gleichung gibt es die so genannte Peregrine Lösung, die beschreibt, wie eine Welle aus dem Nichts entsteht und ins Nichts verschwindet. Man hat also ein ganz normales Wellenfeld, aus dem sich plötzlich eine riesige Welle auftürmt,“ sagt Chabchoub. Die Peregrine Lösung stellt ein einzelnes Wellenereignis dar und bezieht sowohl Raum als auch Zeit ein. Signifikant beim Entstehen einer Monsterwelle ist der Moment der Ruhe kurz vorher. Die Wellen werden unvermittelt flacher, bevor sich die Riesenwelle auftürmt, was häufig in einer Dreier-Formation geschieht. „Genauso wie es die Peregrine Lösung zeigt. Es ist absolut verblüffend, dass wir die Welle exakt so erzeugen konnten“, freut sich Hoffmann. Der von Erfolg gekrönte Laborversuch hat in jedem Fall eines gezeigt: Das Entstehen von Monsterwellen lässt sich durch ein mathematisches Modell und dessen Lösungen darstellen. Wie anwendbar die beobachtete Peregrine Lösung in der Realität ist, bleibt jedoch noch abzuwarten.

In jeden Fall werden sich die Forscher weiter dem Thema widmen. Gerade erst wurde ein Forschungsprojekt von der Volkswagenstiftung genehmigt. Künftig werden außer Hoffmann, Chabchoub und Akhmediev weitere Wissenschaftler, wie ein Ozeanograf von der Russischen Akademie der Wissenschaften, daran arbeiten, den Rätseln von Wellen auf die Spur zu kommen – doch den gefährlichsten unter ihnen ist man gerade ein großes Stück näher gekommen.

Obwohl das Augenmerk der Meerestechniker an der TU Hamburg auf der Theorie liegt und sie in erster Linie am mathematisch-physikalischen Verständnis der Lösungen interessiert sind, lassen sie den praktischen Nutzen nicht außer Acht, der vor allem für die Schifffahrt enorm sein könnte. Denn sollte man aufgrund von Messungen und Berechnungen Wellenverlauf und Wellenperioden voraussagen können, würde das schwere Unfälle oder sogar Katastrophen zu verhindern helfen. Vorstellbar wäre, dass an Bord eines Schiffes ein Sensor die Wellenbewegungen registriert und vor dem Auftreten einer Monsterwelle anschlägt – und sei es nur 10 bis 20 Sekunden zuvor. Dann könnten Passagiere und Besatzung gewarnt werden und der Kurs eines Schiffes ließe sich korrigieren, so dass der Aufprall weniger Schäden verursacht. Monsterwellen sind mindestens zweimal, oft dreimal so hoch wie ein Drittel der höchsten Wellen des gerade herrschenden Seegangs, gemessen von der Talsohle bis zum Gipfel. So können sie bei einem Seegang von 5 Metern etwa 15 Meter hoch werden.

„Auch für die Produzenten und Betreiber von Wellenenergiekraftwerken wären solche Berechnungen sehr hilfreich, weil die Monsterwellen die Anlagen zerstören können“, sagt Hoffmann. Erstmals mathematisch abgeleitet wurden diese Lösungen zwar bereits in den 1970er Jahren, allerdings gab es seither keinen Versuchsnachweis für sie. In der Mai-Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ beschreibt das Wissenschaftlerteam um TU-Professor Hoffmann, wie es ihnen gelang, einen Wellentyp darzustellen, der theoretisch seit fast 30 Jahren bekannt ist, jedoch bis zu ihrer Entdeckung nie experimentell beobachtet wurde.

http://www.tu-harburg.de/mum.html

http://news.sciencemag.or … ttle-meet-rogue-wave.html

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