Monsterwelle

Ein Handelsschiff, das sich in schwerer See abmüht, während eine große Welle vor ihm auftaucht, Golf von Biskaya, ca. 1940 ⓘ

Schurkenwellen (auch Freak-Wellen, Monsterwellen, episodische Wellen, Killerwellen, extreme Wellen und anormale Wellen genannt) sind ungewöhnlich große, unvorhersehbare und plötzlich auftretende Oberflächenwellen, die für Schiffe, auch für große, extrem gefährlich sein können. Sie unterscheiden sich von Tsunamis, die in tiefen Gewässern oft kaum wahrnehmbar sind und durch die Verdrängung von Wasser aufgrund anderer Phänomene (wie Erdbeben) verursacht werden. Eine Schurkenwelle, die an der Küste auftaucht, wird manchmal auch als "Sneaker Wave" bezeichnet. ⓘ

In der Ozeanografie werden Schurkenwellen genauer definiert als Wellen, deren Höhe mehr als das Doppelte der signifikanten Wellenhöhe (Hs oder SWH) beträgt, die wiederum als Mittelwert des größten Drittels der Wellen in einer Wellenaufzeichnung definiert ist. Daher sind Schurkenwellen nicht unbedingt die größten Wellen, die auf dem Wasser zu finden sind; sie sind vielmehr ungewöhnlich große Wellen für einen bestimmten Seegang. Einzelne Wellen scheinen keine eindeutige Ursache zu haben, sondern treten auf, wenn physikalische Faktoren wie starke Winde und Strömungen dazu führen, dass sich Wellen zu einer einzigen, außergewöhnlich großen Welle zusammenschließen. ⓘ

Einzelne Wellen können auch in anderen Medien als Wasser auftreten. Sie scheinen in der Natur allgegenwärtig zu sein und wurden auch in flüssigem Helium, in der Quantenmechanik, in der nichtlinearen Optik, in Mikrowellenhohlräumen, bei der Bose-Einstein-Kondensation, bei Wärme und Diffusion sowie im Finanzwesen beobachtet. ⓘ

In einer Studie aus dem Jahr 2012 wurde die Existenz von Schurkenlöchern im Ozean nachgewiesen, die das Gegenteil von Schurkenwellen sind und deren Tiefe mehr als das Doppelte der signifikanten Wellenhöhe erreichen kann. Schurkenlöcher wurden in Experimenten mit Wasserwellentanks nachgebildet, konnten aber in der realen Welt nicht bestätigt werden. ⓘ

Karte mit allen verlinkten Seiten: OSM | WikiMap

Monsterwellen (auch Riesenwellen oder Kaventsmänner) sind außergewöhnlich hohe, einzelne marine Wasserwellen. ⓘ

Die Höhe und die hohe Geschwindigkeit solcher Wellen erzeugen enorme Anprallkräfte. Kleinere Schiffe können „verschluckt“ oder „zerschlagen“ werden. Größere Schiffe können durch die gewaltigen Kräfte infolge der Schäden an den Aufbauten oder durch zerborstene Fenster manövrierunfähig werden. Selbst für Großschiffe stellen Monsterwellen eine ernste Gefahr dar, da die trägen Schiffskörper außerordentlichen und sehr schnell wechselnden Belastungen ausgesetzt werden, unter denen sie sogar auseinanderbrechen können. ⓘ

Lange Zeit galten Monsterwellen als Seemannsgarn, bis Satellitenaufnahmen und andere Messungen ihre Existenz bewiesen. Erst seit 1995 sind sie anerkannt und werden intensiv erforscht. ⓘ

Hintergrund

Obwohl die titelgebende Welle in Die große Welle vor Kanagawa von Hokusai gemeinhin als Tsunami bezeichnet wird, ist sie eher ein Beispiel für eine große Monsterwelle. ⓘ

Einzelne Wellen sind ein Freiwasserphänomen, bei dem Winde, Strömungen, nichtlineare Phänomene wie Solitonen und andere Umstände dazu führen, dass sich kurzzeitig eine Welle bildet, die weit größer ist als die "durchschnittliche" große Welle (die signifikante Wellenhöhe oder "SWH") zu dieser Zeit und an diesem Ort. Die grundlegende Physik, die Phänomene wie Schurkenwellen möglich macht, besteht darin, dass sich verschiedene Wellen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortbewegen und sich daher unter bestimmten Umständen "auftürmen" können, was als "konstruktive Interferenz" bezeichnet wird. (In der Tiefsee ist die Geschwindigkeit einer Gravitationswelle proportional zur Quadratwurzel ihrer Wellenlänge, dem Abstand zwischen den Spitzenwerten benachbarter Wellen). Aber auch in anderen Situationen kann es zu "Rogue Waves" kommen, vor allem dann, wenn nichtlineare Effekte oder Instabilitätseffekte dazu führen, dass sich die Energie zwischen den Wellen bewegt und sich in einer oder wenigen extrem großen Wellen konzentriert, bevor sie wieder zu "normalen" Bedingungen zurückkehrt. ⓘ

Einst galten sie als Mythos, für dessen Existenz es keine stichhaltigen Beweise gab, heute ist ihre Existenz bewiesen und sie sind als natürliches Meeresphänomen bekannt. Augenzeugenberichte von Seeleuten und Schäden an Schiffen lassen seit langem darauf schließen, dass sie vorkommen, doch der erste wissenschaftliche Beweis für ihre Existenz kam mit der Aufzeichnung einer Monsterwelle durch die Gorm-Plattform in der zentralen Nordsee im Jahr 1984. Bei relativ niedrigem Seegang wurde eine herausragende Welle mit einer Wellenhöhe von 11 Metern (36 Fuß) festgestellt. Was jedoch die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft erregte, war die digitale Messung einer Schurkenwelle an der Draupner-Plattform in der Nordsee am 1. Januar 1995; sie wurde als "Draupner-Welle" bezeichnet und wies eine maximale Wellenhöhe von 25,6 m (84 ft) und eine Spitzenhöhe von 18,5 m (61 ft) auf. Bei diesem Ereignis wurde die Plattform weit über dem Meeresspiegel leicht beschädigt, was die Gültigkeit der von einem nach unten gerichteten Lasersensor gemessenen Werte bestätigte. ⓘ

Ihre Existenz wurde seitdem auch durch Video- und Fotoaufnahmen, Satellitenbilder, Radaraufnahmen der Meeresoberfläche, Stereowellensysteme, Druckmessgeräte am Meeresboden und ozeanographische Forschungsschiffe bestätigt. Im Februar 2000 traf ein britisches ozeanographisches Forschungsschiff, die RRS Discovery, im Rockall-Trog westlich von Schottland auf die größten Wellen, die jemals von wissenschaftlichen Instrumenten im offenen Ozean aufgezeichnet wurden, mit einer SWH von 18,5 Metern (61 Fuß) und einzelnen Wellen von bis zu 29,1 Metern (95 Fuß). "Im Jahr 2004 entdeckten Wissenschaftler, die drei Wochen lang Radarbilder von Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) auswerteten, zehn Einzelwellen, die jeweils 25 Meter oder höher waren. ⓘ

Eine Einzelwelle ist ein natürliches Meeresphänomen, das nicht durch Landbewegungen verursacht wird, nur kurz andauert, an einem begrenzten Ort auftritt und meist weit draußen auf dem Meer stattfindet. Einzelne Wellen gelten als selten, aber potenziell sehr gefährlich, da sich spontan massive Wellen bilden können, die weit über die üblichen Erwartungen der Schiffskonstrukteure hinausgehen und die üblichen Fähigkeiten von Hochseeschiffen, die nicht für solche Begegnungen ausgelegt sind, überfordern können. Schockwellen unterscheiden sich daher von Tsunamis. Tsunamis werden durch eine massive Wasserverdrängung verursacht, die oft auf plötzliche Bewegungen des Meeresbodens zurückzuführen ist, und breiten sich dann mit hoher Geschwindigkeit über ein großes Gebiet aus. In tiefen Gewässern sind sie nahezu unbemerkt und werden erst dann gefährlich, wenn sie sich der Küste nähern und der Meeresboden flacher wird; daher stellen Tsunamis keine Bedrohung für die Schifffahrt auf See dar (z. B. lagen die einzigen Schiffe, die beim Tsunami 2004 in Asien verloren gingen, im Hafen). Sie unterscheiden sich auch von Megatsunamis, bei denen es sich um einzelne massive Wellen handelt, die durch plötzliche Einschläge wie Meteoriteneinschläge oder Erdrutsche in geschlossenen oder begrenzten Gewässern verursacht werden. Sie unterscheiden sich auch von den als "hundertjährige Wellen" bezeichneten Wellen, bei denen es sich um eine rein statistische Vorhersage der höchsten Welle handelt, die innerhalb eines Zeitraums von hundert Jahren in einem bestimmten Gewässer auftreten kann. ⓘ

Es ist inzwischen erwiesen, dass Schurkenwellen die Ursache für den plötzlichen Verlust einiger Hochseeschiffe sind. Zu den gut dokumentierten Fällen gehört der Untergang des Frachters MS München im Jahr 1978. Auch bei anderen Schiffen, wie der Ocean Ranger, einer halbtauchfähigen, mobilen Offshore-Bohreinheit, die am 15. Februar 1982 in kanadischen Gewässern sank, wurden Wellenbrecher für den Verlust verantwortlich gemacht. Im Jahr 2007 stellte die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) der Vereinigten Staaten einen Katalog von mehr als 50 historischen Vorfällen zusammen, die wahrscheinlich mit Monsterwellen in Verbindung stehen. ⓘ

Erreicht ein Tsunami flache Küstenregionen, kann er sich zu einer Wasserwand von mehr als 50 Meter Höhe auftürmen und die Welle kann wegen ihrer großen Länge und den damit verbundenen enormen in Bewegung befindlichen Wassermassen weit ins Landesinnere vordringen. Eine Monsterwelle dagegen fällt zusammen, sobald sie auf Land trifft. ⓘ

Geschichte des Wissens über Schurkenwellen

Frühe Berichte

Im Jahr 1826 berichtete der französische Wissenschaftler und Marineoffizier Kapitän Jules Dumont d'Urville zusammen mit drei Kollegen als Zeugen von bis zu 33 Meter hohen Wellen im Indischen Ozean, wurde jedoch von seinem Kollegen François Arago öffentlich verspottet. Damals war die Meinung weit verbreitet, dass keine Welle höher als 9 m sein konnte. Die Autorin Susan Casey schrieb, dass ein Großteil dieses Unglaubens daher rührte, dass es nur sehr wenige Menschen gab, die eine Schurkenwelle gesehen und überlebt hatten; bis zum Aufkommen der stählernen Doppelhüllenschiffe im 20. ⓘ

Forschung vor 1995

Ungewöhnliche Wellen werden seit vielen Jahren wissenschaftlich untersucht (z. B. John Scott Russells "Wave of Translation", eine Studie über eine Soliton-Welle aus dem Jahr 1834), aber sie wurden nicht mit den Erzählungen von Seeleuten über Begegnungen mit riesigen Schurkenwellen in Verbindung gebracht, da letztere als wissenschaftlich unplausibel galten. ⓘ

Seit dem 19. Jahrhundert verwenden Ozeanographen, Meteorologen, Ingenieure und Schiffskonstrukteure zur Vorhersage der Wellenhöhe ein statistisches Modell, das als Gaußsche Funktion (oder Gaußsche See oder lineares Standardmodell) bekannt ist und von der Annahme ausgeht, dass sich die Wellenhöhen in einem bestimmten Meer eng um einen zentralen Wert gruppieren, der dem Durchschnitt des größten Drittels, der so genannten signifikanten Wellenhöhe, entspricht. In einem stürmischen Meer mit einer signifikanten Wellenhöhe von 12 Metern (39 Fuß) wird es nach dem Modell kaum eine Welle geben, die höher als 15 Meter (49 Fuß) ist. Eine Welle von 30 Metern könnte demnach durchaus vorkommen - allerdings nur einmal in zehntausend Jahren. Diese Grundannahme wurde allgemein akzeptiert, obwohl sie als Näherung anerkannt wurde. Die Verwendung einer Gauß'schen Form zur Modellierung von Wellen war in den letzten 100 Jahren die einzige Grundlage für praktisch alle Texte zu diesem Thema. ⓘ

Der erste bekannte wissenschaftliche Artikel über "Freak waves" wurde 1964 von Professor Laurence Draper verfasst. Darin dokumentierte er die Bemühungen des National Institute of Oceanography in den frühen 1960er Jahren, die Wellenhöhe und die höchste damals gemessene Welle, die etwa 20 Meter betrug, aufzuzeichnen. Draper beschrieb auch ungewöhnliche Wellenlöcher. ⓘ

Doch noch Mitte der 1990er Jahre wurde in den meisten populären ozeanographischen Texten, wie z. B. dem von Pirie, nicht auf Schurken- oder Monsterwellen hingewiesen. Selbst nach der Draupner-Welle von 1995 wurden in dem populären Text über Ozeanographie von Gross (1996) Schurkenwellen nur erwähnt und es wurde lediglich festgestellt, dass "unter außergewöhnlichen Umständen ungewöhnlich große Wellen, so genannte Schurkenwellen, entstehen können", ohne weitere Einzelheiten zu nennen. ⓘ

Die Draupner-Welle von 1995

Gemessene Amplitudenkurve der Draupner-Welle (Spitze in der Mitte) ⓘ

Die Draupner-Welle (oder Neujahrswelle) war die erste von einem Messinstrument erfasste Schurkenwelle. Die Welle wurde 1995 an der Einheit E der Draupner-Plattform aufgezeichnet, einem Gaspipeline-Unterstützungskomplex in der Nordsee, etwa 160 Kilometer südwestlich der Südspitze Norwegens. ⓘ

Die Plattform wurde so gebaut, dass sie einer berechneten Welle von 1:10.000 Jahren mit einer vorhergesagten Höhe von 20 Metern standhält, und war mit einer Reihe modernster Sensoren ausgestattet, darunter ein Laser-Entfernungsmesser-Wellenschreiber an der Unterseite der Plattform. Am 1. Januar 1995 um 15 Uhr registrierte das Gerät eine Monsterwelle mit einer maximalen Wellenhöhe von 25,6 m (84 ft). Die maximale Höhe über dem Meeresspiegel betrug 18,5 m. Der Messwert wurde von den anderen Sensoren bestätigt. Die Plattform wurde bei dem Ereignis leicht beschädigt. ⓘ

In dem Gebiet betrug die signifikante Wellenhöhe ca. 12 m, d. h. die Draupner-Welle war mehr als doppelt so hoch und steil wie ihre Nachbarn und wies Eigenschaften auf, die außerhalb aller bekannten Wellenmodelle lagen. Die Welle erregte großes Interesse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft. ⓘ

Nachfolgende Forschung

Nach dem Nachweis der Draupner-Welle wurde die Forschung auf diesem Gebiet intensiviert. ⓘ

Die erste wissenschaftliche Studie, die umfassend nachweist, dass es Freak-Wellen gibt, die eindeutig außerhalb des Bereichs der Gaußschen Wellen liegen, wurde 1997 veröffentlicht. Einige Forschungsarbeiten bestätigen, dass die beobachtete Wellenhöhenverteilung im Allgemeinen gut der Rayleigh-Verteilung folgt, aber in flachen Gewässern während energiereicher Ereignisse sind extrem hohe Wellen seltener, als dieses spezielle Modell vorhersagt. Ab etwa 1997 erkannten die meisten führenden Autoren die Existenz von Schurkenwellen an, allerdings mit dem Vorbehalt, dass Wellenmodelle nicht in der Lage waren, Schurkenwellen zu reproduzieren. ⓘ

Statoil-Forscher legten im Jahr 2000 ein Papier vor, in dem sie Beweise dafür zusammentrugen, dass Schurkenwellen nicht die seltenen Realisierungen einer typischen oder leicht nicht-gaußförmigen Meeresoberflächenpopulation (klassische Extremwellen) sind, sondern vielmehr die typischen Realisierungen einer seltenen und stark nicht-gaußförmigen Meeresoberflächenpopulation von Wellen (Schurken-Extremwellen). An dem ersten Workshop "Rogue Waves 2000", der im November 2000 in Brest stattfand, nahmen führende Forscher aus aller Welt teil. ⓘ

Im Jahr 2000 registrierte das britische Ozeanographieschiff RRS Discovery vor der schottischen Küste bei Rockall eine 29 Meter hohe Welle. Es handelte sich um ein wissenschaftliches Forschungsschiff, das mit hochwertigen Instrumenten ausgestattet war. Nachfolgende Analysen ergaben, dass unter schweren Sturmbedingungen mit Windgeschwindigkeiten von durchschnittlich 21 Metern pro Sekunde (41 kn) ein schiffseigener Wellenschreiber einzelne Wellen von bis zu 29,1 Metern (95,5 ft) vom Scheitel bis zum Tal und eine maximale signifikante Wellenhöhe von 18,5 Metern (60,7 ft) gemessen hatte. Dies waren einige der größten Wellen, die bis dahin von wissenschaftlichen Instrumenten aufgezeichnet wurden. Die Autoren wiesen darauf hin, dass moderne Wellenvorhersagemodelle bekanntlich extreme Seegänge für Wellen mit einer signifikanten Höhe (Hs) von mehr als 12 Metern (39,4 ft) deutlich unterprognostizieren. Die Analyse dieses Ereignisses dauerte mehrere Jahre, und es wurde festgestellt, dass "keine der modernsten Wettervorhersagen und Wellenmodelle - die Informationen, auf die sich alle Schiffe, Ölplattformen, Fischereibetriebe und Passagierschiffe verlassen - diese Riesenwellen vorhergesagt hatten". Einfach ausgedrückt: Es gab kein wissenschaftliches Modell (und auch keine Methode zur Schiffskonstruktion) zur Beschreibung der aufgetretenen Wellen. Diese Erkenntnis wurde in der Presse breitgetreten, die berichtete, dass "nach allen theoretischen Modellen zu dieser Zeit unter diesen besonderen Wetterbedingungen Wellen dieser Größe nicht hätten auftreten dürfen". ⓘ

Im Jahr 2004 wurden im Rahmen des MaxWave-Projekts der ESA während eines kurzen Untersuchungszeitraums von drei Wochen in einem begrenzten Gebiet des Südatlantiks mehr als zehn einzelne Riesenwellen mit einer Höhe von mehr als 25 Metern (82 Fuß) festgestellt. Die ERS-Satelliten der ESA haben dazu beigetragen, die weit verbreitete Existenz dieser "Schurkenwellen" nachzuweisen. Im Jahr 2007 wurde mit Hilfe von Satellitenradaruntersuchungen nachgewiesen, dass Wellen mit einer Höhe von 20 bis 30 Metern (66 bis 98 Fuß) zwischen Scheitel und Tal weitaus häufiger auftreten als bisher angenommen. Heute weiß man, dass Schockwellen in allen Ozeanen der Welt mehrmals täglich auftreten. ⓘ

Es ist inzwischen allgemein anerkannt, dass Schurkenwellen ein weit verbreitetes Phänomen sind. Professor Akhmediev von der Australian National University hat erklärt, dass es in den Weltmeeren zu jedem Zeitpunkt etwa 10 Einzelwellen gibt. Einige Forscher haben spekuliert, dass etwa 3 von 10.000 Wellen auf den Ozeanen den Status von Schurkenwellen erreichen, doch an bestimmten Stellen - wie Küstenbuchten und Flussmündungen - können diese extremen Wellen 3 von 1.000 Wellen ausmachen, da die Wellenenergie gebündelt werden kann. ⓘ

Schlingerwellen können auch in Seen auftreten. Ein Phänomen, das als "Three Sisters" bekannt ist, soll im Lake Superior auftreten, wenn sich eine Serie von drei großen Wellen bildet. Die zweite Welle trifft auf das Deck des Schiffes, bevor die erste Welle abgeklungen ist. Die dritte ankommende Welle addiert sich zu den beiden aufgestauten Rückspülungen und überflutet das Schiffsdeck plötzlich mit Tonnen von Wasser. Das Phänomen ist eine der verschiedenen theoretischen Ursachen für den Untergang der SS Edmund Fitzgerald auf dem Lake Superior im November 1975. ⓘ

In Bezug auf Extremereignisse, Schurkenwellen und die Solitontheorie

Diese gelten als die wichtigsten Entdeckungen der mathematischen und experimentellen Physik des zwanzigsten und einundzwanzigsten Jahrhunderts.

Gruppe Optische Wissenschaften, Australian National University ⓘ

Ernsthafte Untersuchungen des Phänomens der Schurkenwellen begannen erst nach der Draupner-Welle 1995 und haben sich seit etwa 2005 intensiviert. Eine der bemerkenswerten Eigenschaften der Schurkenwellen ist, dass sie immer aus dem Nichts auftauchen und schnell wieder spurlos verschwinden. Jüngste Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass es auch "Super-Schurkenwellen" geben könnte, die bis zum Fünffachen des durchschnittlichen Seegangs betragen. Der Begriff "Schurkenwelle" wird von Wissenschaftlern inzwischen fast allgemein verwendet, um isolierte Wellen mit großer Amplitude zu beschreiben, die häufiger auftreten als bei normalen, gaußförmig verteilten, statistischen Ereignissen zu erwarten wäre. Schurkenwellen scheinen in der Natur allgegenwärtig zu sein und sind nicht auf die Ozeane beschränkt. Sie treten auch in anderen Zusammenhängen auf und wurden kürzlich in flüssigem Helium, in der nichtlinearen Optik und in Mikrowellenhohlräumen beobachtet. Meeresforscher sind sich inzwischen einig, dass diese Wellen zu einer besonderen Art von Meereswellen gehören, die in den herkömmlichen Modellen für Meereswindwellen nicht berücksichtigt werden. ⓘ

Im Jahr 2012 wiesen Forscher der Australian National University die Existenz von Schurkenwellenlöchern nach, einem umgekehrten Profil einer Schurkenwelle. Bei ihren Forschungen erzeugten sie Schurkenwellenlöcher auf der Wasseroberfläche, in einem Wasserwellenbecken. In der maritimen Folklore sind Geschichten von Schurkenlöchern ebenso verbreitet wie Geschichten von Schurkenwellen. Sie ergeben sich aus theoretischen Analysen, konnten aber nie experimentell nachgewiesen werden. ⓘ

Eine Arbeit aus dem Jahr 2015 untersuchte das Wellenverhalten in der Umgebung einer Schurkenwelle, einschließlich der optischen und der Draupner-Welle, und kam zu dem Schluss, dass "Schurkenereignisse nicht unbedingt ohne Vorwarnung auftreten, sondern ihnen oft eine kurze Phase relativer Ordnung vorausgeht". ⓘ

Im Jahr 2019 gelang es den Forschern, eine Welle mit ähnlichen Merkmalen wie die Draupner-Welle (Steilheit und Brechung) und proportional größerer Höhe zu erzeugen, indem sie mehrere Wellenzüge verwendeten, die sich in einem Winkel von 120 Grad trafen. Frühere Forschungen hatten stark darauf hingedeutet, dass die Welle aus einer Interaktion zwischen Wellen aus verschiedenen Richtungen ("crossing seas") entstand. Ihre Untersuchungen zeigten auch, dass das Verhalten der Wellen nicht unbedingt den Erwartungen entsprach. Wenn Wellen in einem Winkel von weniger als 60 Grad aufeinander trafen, "brach" die Spitze der Welle seitwärts und nach unten (ein "plunging breaker"). Doch ab einem Winkel von etwa 60 Grad und mehr begann die Welle senkrecht nach oben zu brechen, wodurch eine Spitze entstand, die die Wellenhöhe nicht wie üblich verringerte, sondern vergrößerte (ein "vertikaler Strahl"). Sie zeigten auch, dass die Steilheit von Schurkenwellen auf diese Weise reproduziert werden kann. Schließlich stellten sie fest, dass optische Instrumente wie der Laser, der für die Draupner-Welle verwendet wurde, durch die Gischt an der Spitze der Welle etwas verwirrt werden könnten, wenn diese bricht, was zu Unsicherheiten bei der Wellenhöhe von etwa 1 bis 1,5 Metern führen könnte. Sie kamen zu dem Schluss, "dass der Beginn und die Art des Wellenbruchs eine wichtige Rolle spielen und sich bei kreuzenden und nicht kreuzenden Wellen deutlich unterscheiden. Entscheidend ist, dass das Brechen bei ausreichend großen Kreuzungswinkeln weniger durch die Kammamplitude begrenzt wird und die Bildung von nahezu vertikalen Strahlen beinhaltet". ⓘ

Bilder aus der Simulation der Draupner-Welle von 2019, die zeigen, wie sich die Steilheit der Welle bildet und wie der Scheitel einer Schurkenwelle bricht, wenn sich die Wellen unter verschiedenen Winkeln kreuzen. (Klicken Sie auf das Bild, um die volle Auflösung zu sehen)

In der ersten Reihe (0 Grad) bricht der Scheitel horizontal und taucht ein, wodurch die Größe der Welle begrenzt wird.
In der mittleren Reihe (60 Grad) ist das Brechverhalten etwas aufwärts gerichtet.
In der dritten Reihe (120 Grad), die als die genaueste Simulation der Draupner-Welle beschrieben wird, bricht die Welle nach oben, als vertikaler Strahl, und die Höhe des Wellenkamms wird nicht durch das Brechen begrenzt. ⓘ

Forschungsanstrengungen

Derzeit gibt es eine Reihe von Forschungsprogrammen, die sich mit Schurkenwellen befassen:

Im Rahmen des Projekts MaxWave haben Forscher des GKSS-Forschungszentrums anhand von Daten, die von ESA-Satelliten gesammelt wurden, eine große Anzahl von Radarsignaturen identifiziert, die als Beweise für Schurkenwellen dargestellt werden. Weitere Forschungsarbeiten sind im Gange, um bessere Methoden für die Übersetzung der Radarechos in die Höhe der Meeresoberfläche zu entwickeln, aber derzeit ist diese Technik noch nicht erprobt.
Die Australian National University hat in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Hamburg und der Universität Turin Experimente zur nichtlinearen Dynamik durchgeführt, um zu versuchen, die so genannten Schurken- oder Killerwellen zu erklären. Das Video "Lego Pirate" wurde häufig verwendet und zitiert, um die so genannten "Superschurkenwellen" zu beschreiben, die ihren Forschungen zufolge bis zu fünfmal größer sein können als die anderen Wellen in ihrer Umgebung.
Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) erforscht die Schurkenwellen weiterhin mit Hilfe von Radarsatelliten.
Das United States Naval Research Laboratory, die wissenschaftliche Abteilung der Navy und des Marine Corps, veröffentlichte 2015 die Ergebnisse ihrer Modellierungsarbeit.
Massachusetts Institute of Technology. Die Forschung auf diesem Gebiet ist noch nicht abgeschlossen. Zwei Forscher am Massachusetts Institute of Technology, die teilweise vom Naval Engineering Education Consortium (NEEC) unterstützt werden, haben sich mit dem Problem der kurzfristigen Vorhersage seltener, extremer Wasserwellen befasst und ein effektives Vorhersageinstrument für etwa 25 Wellenperioden entwickelt und veröffentlicht. Mit diesem Instrument können Schiffe und ihre Besatzungen zwei bis drei Minuten vor einem potenziell katastrophalen Aufprall gewarnt werden, so dass die Besatzung etwas Zeit hat, um wichtige Arbeiten auf einem Schiff (oder einer Offshore-Plattform) einzustellen. Die Autoren nennen die Landung auf einem Flugzeugträger als Paradebeispiel.
University of Colorado und die Universität Stellenbosch.
Universität Kyoto.
Die Swinburne University of Technology in Australien veröffentlichte kürzlich eine Arbeit über die Wahrscheinlichkeit von Schurkenwellen.
Universität von Oxford. Der Fachbereich Ingenieurwissenschaften veröffentlichte 2014 einen umfassenden Überblick über die Wissenschaft der Schurkenwellen. Im Jahr 2019 hat ein Team der Universitäten Oxford und Edinburgh die Draupner-Welle im Labor nachgebaut.
University of Western Australia.
Tallinn University of Technology in Estland.
Von der EU finanziertes Projekt "Extreme Seas".
Universität Umeå. Eine Forschungsgruppe an der Universität Umeå in Schweden hat im August 2006 gezeigt, dass normale stochastische, windgetriebene Wellen plötzlich zu Monsterwellen werden können. Die nichtlineare Entwicklung der Instabilitäten wurde mit Hilfe direkter Simulationen des zeitabhängigen Systems nichtlinearer Gleichungen untersucht.
Umweltforschungslabor der Großen Seen. Das GLERL hat im Jahr 2002 Forschungen durchgeführt, die die lange Zeit vorherrschende Behauptung widerlegten, dass Monsterwellen nur selten auftreten.
Universität von Oslo. Hat Forschungen durchgeführt über: Seegang und Schurkenwellenwahrscheinlichkeit während des Prestige-Unglücks; nichtlineare Windwellen, ihre Modifizierung durch Gezeitenströmungen und Anwendung auf norwegische Küstengewässer; allgemeine Analyse realistischer Ozeanwellen (GROW); Modellierung von Strömungen und Wellen für Meeresstrukturen und extreme Wellenereignisse; schnelle Berechnungen steiler Oberflächenwellen in drei Dimensionen und Vergleich mit Experimenten; und sehr große interne Wellen im Ozean.
National Oceanography Centre im Vereinigten Königreich.
Scripps Institute of Oceanography in den Vereinigten Staaten.
Projekt Ritmare in Italien. ⓘ

Verursacht

Experimentelle Demonstration der Erzeugung von Schurkenwellen durch nichtlineare Prozesse (in kleinem Maßstab) in einem Wellenbecken. ⓘ

Die lineare Teillösung der nichtlinearen Schrödinger-Gleichung, die die Entwicklung einer komplexen Wellenhülle in tiefem Wasser beschreibt. ⓘ

Da das Phänomen der "Rogue Waves" noch immer Gegenstand aktiver Forschung ist, ist es verfrüht, eindeutige Aussagen über die häufigsten Ursachen zu machen oder darüber, ob sie sich von Ort zu Ort unterscheiden. Die Gebiete mit dem höchsten vorhersehbaren Risiko scheinen dort zu liegen, wo eine starke Strömung entgegen der Hauptausbreitungsrichtung der Wellen verläuft; das Gebiet in der Nähe von Kap Agulhas vor der Südspitze Afrikas ist ein solches Gebiet; der warme Agulhasstrom verläuft nach Südwesten, während die vorherrschenden Winde Westwinde sind. Da diese These jedoch nicht die Existenz aller entdeckten Wellen erklärt, sind mehrere verschiedene Mechanismen wahrscheinlich, die örtlich variieren. Zu den vorgeschlagenen Mechanismen für Freak Waves gehören die folgenden:

Diffraktive Fokussierung: Nach dieser Hypothese führt die Form der Küste oder des Meeresbodens dazu, dass sich mehrere kleine Wellen in Phase treffen. Ihre Scheitelhöhen vereinen sich und bilden eine Monsterwelle. ⓘ

Fokussierung durch Strömungen: Wellen aus einer Strömung werden in eine Gegenströmung getrieben. Dadurch verkürzt sich die Wellenlänge, was zu Untiefen führt (d. h. zu einer Zunahme der Wellenhöhe), und entgegenkommende Wellenzüge werden zu einer Schurkenwelle zusammengedrückt. Dies geschieht vor der südafrikanischen Küste, wo der Agulhasstrom durch Westwinde bekämpft wird. ⓘ

Nichtlineare Effekte (modulare Instabilität): Es scheint möglich, dass eine Schurkenwelle durch natürliche, nichtlineare Prozesse aus einem zufälligen Hintergrund kleinerer Wellen entsteht. In einem solchen Fall, so die Hypothese, kann sich ein ungewöhnlicher, instabiler Wellentyp bilden, der Energie aus anderen Wellen "saugt" und selbst zu einem nahezu vertikalen Monster anwächst, bevor er zu instabil wird und kurz darauf zusammenbricht. Ein einfaches Modell hierfür ist eine Wellengleichung, die so genannte nichtlineare Schrödinger-Gleichung (NLS), in der eine normale und perfekt berechenbare (nach dem linearen Standardmodell) Welle beginnt, Energie aus den Wellen unmittelbar vor und hinter ihr "aufzusaugen", wodurch diese im Vergleich zu anderen Wellen zu kleinen Wellen werden. Das NLS kann in tiefen Gewässern verwendet werden. In flachem Wasser werden Wellen durch die Korteweg-de Vries-Gleichung oder die Boussinesq-Gleichung beschrieben. Diese Gleichungen enthalten ebenfalls nichtlineare Beiträge und zeigen Einzelwellenlösungen. Eine kleine Einzelwelle, die mit der nichtlinearen Schrödinger-Gleichung übereinstimmt (die Peregrine-Lösung), wurde 2011 in einem Wassertank im Labor erzeugt. Vor allem die Untersuchung von Solitonen, insbesondere von Peregrine-Solitonen, hat die Idee unterstützt, dass nichtlineare Effekte in Gewässern auftreten können. ⓘ

Normaler Teil des Wellenspektrums: In einigen Studien wird argumentiert, dass viele Wellen, die als Schurkenwellen eingestuft werden (mit der einzigen Bedingung, dass sie das Doppelte der signifikanten Wellenhöhe überschreiten), keine Ausreißer sind, sondern nur seltene, zufällige Stichproben der Wellenhöhenverteilung darstellen und als solche statistisch gesehen mit einer Rate von etwa einer Schurkenwelle alle 28 Stunden zu erwarten sind. Dies wird häufig unter der Frage "Freak-Wellen" diskutiert: Seltene Realisierungen einer typischen Population oder typische Realisierungen einer seltenen Population?" Nach dieser Hypothese lassen sich die meisten realen Begegnungen mit ungewöhnlich großen Wellen durch die lineare Wellentheorie (oder schwach nichtlineare Abwandlungen davon) erklären, ohne dass besondere Mechanismen wie die modulare Instabilität erforderlich sind. Jüngste Studien, in denen Milliarden von Wellenmessungen durch Wellenbojen analysiert wurden, zeigen, dass die Häufigkeit des Auftretens von Schurkenwellen im Ozean mit der linearen Theorie erklärt werden kann, wenn die endliche spektrale Bandbreite des Wellenspektrums berücksichtigt wird. Es ist jedoch noch nicht bekannt, ob eine schwach nichtlineare Dynamik selbst die größten Schurkenwellen erklären kann (z. B. solche, die das Dreifache der signifikanten Wellenhöhe überschreiten, was bei einer linearen Theorie äußerst selten wäre). Dies hat auch dazu geführt, dass kritisch hinterfragt wird, ob die Definition von Schurkenwellen allein über ihre relative Höhe in der Praxis sinnvoll ist.
Konstruktive Interferenz von Elementarwellen: Schurkenwellen können durch die konstruktive Interferenz (dispersive und gerichtete Fokussierung) von 3D-Elementarwellen entstehen, die durch nichtlineare Effekte verstärkt wird.
Wechselwirkungen zwischen Wind und Wellen: Es ist zwar unwahrscheinlich, dass der Wind allein eine Schurkenwelle erzeugen kann, aber seine Wirkung in Kombination mit anderen Mechanismen kann eine umfassendere Erklärung für das Phänomen der Schurkenwellen liefern. Wenn der Wind über den Ozean bläst, wird Energie auf die Meeresoberfläche übertragen. Wenn die starken Winde eines Sturms zufällig in die entgegengesetzte Richtung der Meeresströmung wehen, können die Kräfte stark genug sein, um unkontrollierte Wellen zu erzeugen. Phillips und Miles stellen Theorien über Instabilitätsmechanismen für die Entstehung und das Wachstum von Windwellen auf - allerdings nicht über die Ursachen von Schurkenwellen -. ⓘ

Die in der NLS-Gleichung beobachtete räumlich-zeitliche Fokussierung kann auch auftreten, wenn die Nichtlinearität entfernt wird. In diesem Fall ist die Fokussierung in erster Linie darauf zurückzuführen, dass verschiedene Wellen in Phase kommen, und nicht auf Energieübertragungsprozesse. Weitere Analysen von Schurkenwellen unter Verwendung eines vollständig nichtlinearen Modells von R. H. Gibbs (2005) stellen diesen Modus in Frage, da gezeigt wird, dass eine typische Wellengruppe sich so fokussiert, dass eine beträchtliche Wasserwand entsteht, allerdings auf Kosten einer geringeren Höhe. ⓘ

Eine Schurkenwelle und das tiefe Tal, das üblicherweise vor und nach ihr zu sehen ist, können nur einige Minuten andauern, bevor sie entweder brechen oder sich wieder verkleinern. Abgesehen von einer einzelnen Schurkenwelle kann die Schurkenwelle auch Teil eines Wellenpakets sein, das aus mehreren Schurkenwellen besteht. Solche Gruppen von Einzelwellen sind in der Natur beobachtet worden. ⓘ

Andere Medien

Forscher der UCLA haben in mikrostrukturierten optischen Fasern nahe der Schwelle der Soliton-Superkontinuum-Erzeugung das Phänomen der Schurkenwellen beobachtet und die Ausgangsbedingungen für die Erzeugung von Schurkenwellen in einem beliebigen Medium beschrieben. Die Forschung in der Optik hat die Rolle einer nichtlinearen Struktur namens Peregrine-Soliton aufgezeigt, die diese Wellen erklären könnte, die auftauchen und wieder verschwinden, ohne eine Spur zu hinterlassen. ⓘ

Gemeldete Begegnungen

Über viele dieser Begegnungen wird nur in den Medien berichtet, und es handelt sich nicht um Beispiele von Schurkenwellen im offenen Ozean. In der Populärkultur wird eine gefährliche Riesenwelle oft locker als Schurkenwelle bezeichnet, während nicht nachgewiesen wurde (und meist auch nicht nachgewiesen werden kann), dass es sich bei dem gemeldeten Ereignis um eine Schurkenwelle im wissenschaftlichen Sinne handelt - d. h. um eine Welle mit ganz anderen Eigenschaften als die umgebenden Wellen in diesem Seegang und mit einer sehr geringen Eintrittswahrscheinlichkeit (gemäß einer für die lineare Wellentheorie gültigen Beschreibung eines Gauß-Prozesses). ⓘ

In diesem Abschnitt wird eine begrenzte Auswahl bemerkenswerter Vorfälle aufgeführt. ⓘ

19. Jahrhundert

Leuchtturm Eagle Island (1861) - Wasser zerbrach die Glasscheibe des Ostturms und überflutete ihn, was auf eine Welle hindeutet, die die 40 Meter hohe Klippe übersprang und den 26 Meter hohen Turm überwältigte.
Flannan Isles Lighthouse (1900) - Drei Leuchtturmwärter verschwanden nach einem Sturm, der dazu führte, dass die von der Welle beschädigte Ausrüstung 34 Meter über dem Meeresspiegel gefunden wurde. ⓘ

20. Jahrhundert

SS Kronprinz Wilhelm, 18. September 1901 - Der modernste deutsche Ozeandampfer seiner Zeit (Gewinner des Blauen Bandes) wurde auf seiner Jungfernfahrt von Cherbourg nach New York von einer Riesenwelle beschädigt. Die Welle schlug frontal auf das Schiff auf.
RMS Lusitania (1910) - In der Nacht des 10. Januar 1910 traf eine 23 Meter hohe Welle das Schiff über den Bug, beschädigte das Vorderdeck und zerschlug die Fenster der Brücke.
Voyage of the James Caird (1916) - Sir Ernest Shackleton traf auf eine Welle, die er als "gigantisch" bezeichnete, während er ein Rettungsboot von Elephant Island zur Insel Südgeorgien steuerte.
RMS Homeric (1924) - Wurde während der Fahrt durch einen Hurrikan vor der Ostküste der Vereinigten Staaten von einer 24 Meter hohen Welle getroffen, die sieben Menschen verletzte, zahlreiche Fenster und Bullaugen zertrümmerte, eines der Rettungsboote mitriss und Stühle und andere Einrichtungsgegenstände aus ihren Befestigungen riss.
USS Ramapo (AO-12) (1933) - Wurde bei 34 Metern (112 Fuß) gedreht.
RMS Queen Mary (1942) - Wurde von einer 28 Meter hohen Welle gestreift und kippte kurz um 52 Grad, bevor es sich langsam aufrichtete.
SS Michelangelo (1966) - Loch im Aufbau, schweres Glas zerbrach 24 Meter über der Wasserlinie, drei Tote.
SS Edmund Fitzgerald (1975) - Verschollen auf dem Lake Superior. In einem Bericht der Küstenwache wurde das Eindringen von Wasser in die Luken, das den Laderaum allmählich füllte, oder aber Navigations- und Kartenfehler, die zu Schäden durch Auflaufen auf Untiefen führten, verantwortlich gemacht. Ein anderes Schiff in der Nähe, die SS Arthur M. Anderson, wurde jedoch zu einem ähnlichen Zeitpunkt von zwei Monsterwellen und möglicherweise einer dritten Welle getroffen, was mit dem Untergang etwa zehn Minuten später zusammenzufallen schien.
MS München (1978) - Auf See verloren, nur verstreute Wrackteile und Anzeichen plötzlicher Beschädigung, einschließlich extremer Kräfte 20 Meter über der Wasserlinie. Obwohl wahrscheinlich mehr als eine Welle beteiligt war, bleibt dies der wahrscheinlichste Untergang aufgrund einer ungewöhnlichen Welle.
Esso Languedoc (1980) - Eine 25 bis 30 Meter hohe Welle schwappte vom Heck des französischen Supertankers in der Nähe von Durban, Südafrika, über das Deck und wurde vom Ersten Offizier, Philippe Lijour, fotografiert.
Fastnet-Leuchtturm - 1985 von einer 48 Meter hohen Welle getroffen
Draupner-Welle (Nordsee, 1995) - Die erste wissenschaftlich bestätigte Schurkenwelle mit einer maximalen Höhe von 25,6 Metern (84 ft).
Queen Elizabeth 2 (1995) - Traf während des Hurrikans Luis im Nordatlantik auf eine 29 Meter hohe Welle. Der Kapitän sagte, sie sei "aus der Dunkelheit aufgetaucht" und habe "wie die weißen Klippen von Dover" ausgesehen. In Zeitungsberichten wurde damals beschrieben, dass das Kreuzfahrtschiff versuchte, auf der fast senkrechten Welle zu "surfen", um nicht zu sinken. ⓘ

21. Jahrhundert

Drucksensoren des U.S. Naval Research Laboratory entdeckten 2004 im Golf von Mexiko eine von Hurrikan Ivan ausgelöste Monsterwelle am Meeresboden. Die Welle war vom Scheitelpunkt bis zum Tiefpunkt etwa 27,7 Meter hoch und rund 200 Meter lang. Ihre Computermodelle deuteten auch darauf hin, dass die Wellen in der Augenwand mehr als 40 Meter hoch gewesen sein könnten.
Aleutian Ballad, (Bering Sea, 2005) In einer Folge von Deadliest Catch werden Aufnahmen einer 18 Meter hohen Welle gezeigt. Die Welle trifft nachts auf das Schiff und verkrüppelt es, so dass es für kurze Zeit auf die Seite kippt. Dies ist eine der wenigen Videoaufnahmen einer solchen Welle.
Im Jahr 2006 stellten Forscher des U.S. Naval Institute die Theorie auf, dass unkontrollierte Wellen für den unerklärlichen Verlust von niedrig fliegenden Flugzeugen, wie z. B. Hubschraubern der US-Küstenwache, während Such- und Rettungseinsätzen verantwortlich sein könnten.
Die MS Louis Majesty (Mittelmeer, März 2010) wurde auf einer Mittelmeer-Kreuzfahrt zwischen Cartagena und Marseille bei der Durchquerung des Golfs von Lion von drei aufeinanderfolgenden 8-Meter-Wellen getroffen. Zwei Passagiere wurden durch umherfliegendes Glas getötet, als ein Fenster des Aufenthaltsraums durch die zweite und dritte Welle zertrümmert wurde. Die Wellen, die ohne Vorwarnung auftraten, waren alle ungewöhnlich hoch im Vergleich zum Seegang zum Zeitpunkt des Vorfalls.
Im Jahr 2019 verursachte der außertropische Überrest des Hurrikans Dorian vor der Küste von Neufundland eine 30 Meter hohe Monsterwelle. ⓘ

Quantifizierung der Auswirkungen von Schockwellen auf Schiffe

Der Untergang der MS München im Jahr 1978 lieferte einen der ersten physischen Beweise für die Existenz von Monsterwellen. Die München war ein hochmodernes Frachtschiff mit mehreren wasserdichten Abteilungen und einer erfahrenen Besatzung. Sie ging mit der gesamten Besatzung verloren, und das Wrack wurde nie gefunden. Der einzige Beweis war das Steuerbord-Rettungsboot, das einige Zeit später aus dem schwimmenden Wrack geborgen wurde. Die Rettungsboote hingen an vorderen und hinteren Blöcken 20 Meter über der Wasserlinie. Die Bolzen waren von vorn nach achtern zurückgebogen, was darauf hindeutet, dass das darunter hängende Rettungsboot von einer Welle getroffen worden war, die vom Bug zum Heck des Schiffes gelaufen war und das Rettungsboot vom Schiff gerissen hatte. Um eine solche Kraft ausüben zu können, muss die Welle deutlich höher als 20 Meter gewesen sein (66 Fuß). Zum Zeitpunkt der Untersuchung wurde die Existenz von Einzelwellen als statistisch so unwahrscheinlich angesehen, dass sie nahezu unmöglich war. Die Untersuchung des Seegerichts kam daher zu dem Schluss, dass das Unwetter ein "ungewöhnliches Ereignis" verursacht hatte, das zum Untergang der München führte. ⓘ

1980 ging die MS Derbyshire während des Taifuns Orchid südlich von Japan mit ihrer gesamten Besatzung unter. Die Derbyshire war ein 1976 gebauter kombinierter Erz-Schüttgut-Ölfrachter. Mit 91 655 Bruttoregistertonnen war - und ist - sie das größte britische Schiff, das jemals auf See verloren ging. Das Wrack wurde im Juni 1994 gefunden. Das Untersuchungsteam setzte ein ferngesteuertes Fahrzeug ein, um das Wrack zu fotografieren. Im Jahr 1998 wurde ein privater Bericht veröffentlicht, der die britische Regierung veranlasste, eine formelle Untersuchung des Untergangs einzuleiten. Die staatliche Untersuchung umfasste eine umfassende Untersuchung durch die Woods Hole Oceanographic Institution, die während zweier Untersuchungen 135.774 Bilder des Wracks aufnahm. Die formelle forensische Untersuchung kam zu dem Schluss, dass das Schiff aufgrund eines strukturellen Versagens gesunken ist, und sprach die Besatzung von jeglicher Verantwortung frei. In dem Bericht wurde vor allem die genaue Abfolge der Ereignisse festgelegt, die zum strukturellen Versagen des Schiffes führten. Eine dritte umfassende Analyse wurde anschließend von Douglas Faulkner, Professor für Schiffsarchitektur und Meerestechnik an der Universität Glasgow, durchgeführt. Sein Bericht aus dem Jahr 2001 brachte den Verlust der Derbyshire mit den neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen über Monsterwellen in Verbindung und kam zu dem Schluss, dass die Derbyshire mit ziemlicher Sicherheit durch eine Monsterwelle zerstört wurde. ⓘ

Arbeiten des Seglers und Autors Craig B. Smith aus dem Jahr 2007 bestätigten frühere forensische Arbeiten von Faulkner aus dem Jahr 1998 und ergaben, dass die Derbyshire einem hydrostatischen Druck einer "statischen Wassersäule" von etwa 20 Metern (66 ft) mit einem daraus resultierenden statischen Druck von 201 Kilopascal (29,2 psi) ausgesetzt war. Dies bedeutet, dass 20 Meter (66 Fuß) Meerwasser (möglicherweise eine Superschurkenwelle) über das Schiff strömt. Die Ladeluken an Deck der Derbyshire erwiesen sich als der Hauptausfallpunkt, als die Monsterwelle über das Schiff schwappte. Die Konstruktion der Luken erlaubte nur einen statischen Druck von weniger als 2 Metern Wasser oder 17,1 Kilopascal (2,48 psi), was bedeutet, dass die Taifunlast auf den Luken mehr als das Zehnfache der Konstruktionslast betrug. Die forensische Strukturanalyse des Wracks der Derbyshire gilt heute weitgehend als unwiderlegbar. ⓘ

Darüber hinaus weiß man heute, dass schnell laufende Wellen einen extrem hohen dynamischen Druck ausüben. Es ist bekannt, dass eintauchende oder brechende Wellen kurzzeitige impulsartige Druckspitzen, so genannte Gifle-Spitzen, verursachen können. Diese können für Millisekunden Drücke von 200 Kilopascal (29 psi) (oder mehr) erreichen, was ausreicht, um einen Sprödbruch von Baustahl zu verursachen. Beweise für ein Versagen durch diesen Mechanismus wurden auch auf der Derbyshire gefunden. Smith hat Szenarien dokumentiert, in denen ein hydrodynamischer Druck von bis zu 5.650 Kilopascal (819 psi) oder über 500 Tonnen pro Quadratmeter auftreten kann. ⓘ

Im Jahr 2004 wurde eine extreme Welle registriert, die auf den Admiralty Breakwater in Alderney auf den Kanalinseln traf. Dieser Wellenbrecher ist dem Atlantischen Ozean ausgesetzt. Der Spitzendruck, der von einem an der Küste angebrachten Messwertgeber aufgezeichnet wurde, betrug 745 Kilopascal (108,1 psi). Dieser Druck übersteigt bei weitem alle Konstruktionskriterien für moderne Schiffe, und diese Welle hätte fast jedes Handelsschiff zerstört. ⓘ

Konstruktionsnormen

Im November 1997 verabschiedete die Internationale Seeschifffahrtsorganisation (IMO) neue Vorschriften für die Überlebensfähigkeit und die strukturellen Anforderungen an Massengutfrachter mit einer Länge von 150 Metern (490 Fuß) und mehr. Das Schott und der Doppelboden müssen stark genug sein, damit das Schiff eine Überflutung im ersten Laderaum überstehen kann, sofern die Beladung nicht eingeschränkt ist. ⓘ

Wellenbrecher stellen aus mehreren Gründen eine erhebliche Gefahr dar: Sie sind selten, unvorhersehbar, können plötzlich oder ohne Vorwarnung auftreten und mit enormer Wucht auftreffen. Eine 12-Meter-Welle (39 Fuß) hätte nach dem üblichen "linearen" Modell eine Brechkraft von 6 Tonnen pro Quadratmeter [t/m²] (8,5 psi). Obwohl moderne Schiffe (in der Regel) für eine brechende Welle von 15 t/m² ausgelegt sind, kann eine Monsterwelle diese beiden Werte mit einer brechenden Kraft von weit über 100 t/m² in den Schatten stellen. Smith hat Berechnungen auf der Grundlage der Gemeinsamen Strukturregeln (CSR) der Internationalen Vereinigung der Klassifikationsgesellschaften (IACS) für ein typisches Massengutschiff vorgelegt, die konsistent sind. ⓘ

Peter Challenor, ein führender Wissenschaftler auf diesem Gebiet vom National Oceanography Centre im Vereinigten Königreich, wurde 2010 in Caseys Buch mit den Worten zitiert: "Wir haben nicht diese zufällige, chaotische Theorie für nichtlineare Wellen. Überhaupt nicht." Er fügte hinzu: "Daran wird seit mindestens 50 Jahren aktiv gearbeitet. Wir haben nicht einmal den Ansatz einer Theorie." ⓘ

Im Jahr 2006 schlug Smith vor, die Empfehlung 34 der International Association of Classification Societies (IACS) zu den Standardwellendaten dahingehend zu ändern, dass die Mindestentwurfswellenhöhe auf 19,8 Meter erhöht wird. Er legte eine Analyse vor, aus der hervorgeht, dass 20,1 m (66 ft) hohe Wellen während der 25-jährigen Lebensdauer von Hochseeschiffen auftreten können und dass 29,9 m (98 ft) hohe Wellen zwar unwahrscheinlicher sind, aber nicht ausgeschlossen werden können. Daher scheint ein Auslegungskriterium, das auf 11,0 m (36 ft) hohen Wellen basiert, unzureichend, wenn man das Risiko des Verlustes von Besatzung und Ladung berücksichtigt. Smith hat auch vorgeschlagen, dass die dynamische Kraft von Wellenschlägen in die Strukturanalyse einbezogen werden sollte. Die norwegischen Offshore-Normen berücksichtigen nun extreme Wellenbedingungen und verlangen, dass eine 10.000-Jahre-Welle die Integrität des Schiffes nicht gefährdet. Rosenthal weist darauf hin, dass bis zum Jahr 2005 in den Regeln der Klassifikationsgesellschaften für die Konstruktion von Schiffen die Schurkenwellen nicht ausdrücklich berücksichtigt wurden. So veröffentlicht beispielsweise DNV GL, eine der weltweit größten internationalen Zertifizierungs- und Klassifizierungsgesellschaften mit Schwerpunkt auf technischer Bewertung, Beratung und Risikomanagement, ihre Structure Design Load Principles, die nach wie vor weitgehend auf der "signifikanten Wellenhöhe" beruhen und im Januar 2016 noch immer keine Berücksichtigung von Wellenbrechern enthalten. ⓘ

Die US-Marine ging in der Vergangenheit davon aus, dass die größte Welle, die wahrscheinlich auftritt, 21,4 Meter (70 Fuß) beträgt. Smith stellte 2007 fest, dass die Marine jetzt davon ausgeht, dass größere Wellen auftreten können, und dass die Möglichkeit extremer Wellen, die steiler sind (d. h. keine größeren Wellenlängen haben), jetzt anerkannt wird. Die Marine musste aufgrund der neuen Erkenntnisse über Wellen von mehr als 21,4 Metern keine grundlegenden Änderungen an der Schiffskonstruktion vornehmen, da sie nach höheren Standards baut. ⓘ

Weltweit gibt es mehr als 50 Klassifikationsgesellschaften mit jeweils unterschiedlichen Vorschriften, obwohl die meisten neuen Schiffe nach den Normen der 12 Mitglieder der International Association of Classification Societies gebaut werden, die 2006 zwei Sätze gemeinsamer Strukturvorschriften einführte, einen für Öltanker und einen für Massengutfrachter. Diese wurden später zu einem einzigen Regelwerk harmonisiert. ⓘ

Beschreibung

Monsterwelle in der französischen Biskaya bei ca. 200 Metern Wassertiefe: Die Wellenhöhe kann nur geschätzt werden (Aufnahme um 1940) ⓘ

Stand der Forschung

Besondere Gefahren durch Riesenwellen

Bei den sogenannten Monsterwellen ist nicht nur die Größe dieser Wellenart ein Problem, sondern insbesondere deren Charakteristik. Sie verfügen über eine sehr steile Flanke und eine relativ hohe Geschwindigkeit. Aufgrund der Eigenträgheit eines Schiffes kann dieses eine solche Welle nicht einfach überfahren, sondern wird von ihr regelrecht überrollt (Brecherwelle). Die hierbei auftretenden Belastungen sind erheblich höher als bei normalen Sturmwellen. Während die meisten Schiffe auf einen Wasserdruck von maximal 150 kN/m² ausgelegt sind, kann bei einem direkten Treffer durch eine solche Welle ein Druck von weit über 1.000 kN/m² entstehen. Selbst bei einem Frontaltreffer taucht das Schiff tief in die Welle ein; der Wasserschlag trifft in der Regel, bedingt durch die Höhe der Welle, die Aufbauten, welche nicht für einen solch hohen Anprall ausgelegt sind. ⓘ

Ein weiteres Problem sind die kurze Wellenlänge und daraus folgend die großen, in schneller Folge vorauseilenden und nachfolgenden Wellentäler. Das Schiff wird erfasst und am Bug (bei Frontaltreffern) sehr schnell angehoben. Es durchbricht die Welle, um wieder in ein steiles Tal zu geraten, während der Mittelteil und das Heck zu diesem Zeitpunkt noch unter voller Belastung der Welle stehen. Da Schiffe nicht auf Punktbelastbarkeit ausgelegt sind, kann das Schiff an seinem „freiliegenden“, nicht durch Auftrieb gestützten Bug infolge des Eigengewichts zerbrechen. ⓘ

Wird das Schiff seitlich getroffen, ist ein Kentern fast unvermeidlich. ⓘ

Vorhersagen besonders gefährdeter Gebiete

Ein 2008 entworfenes Simulationsmodell von Tim Janssen (SFSU) und Thomas Herbers (NPS) soll zeigen, wo und warum solche Riesenwellen entstehen. So gehören Küstenzonen mit stark schwankenden Meerestiefen und unterschiedlichen Strömungsverhältnissen zu den anfälligen Seegebieten, in denen unberechenbar große Wellen auftreten können. Sandbänke und Strömungsverhältnisse sind dafür verantwortlich, dass Wellen ihre Richtung und Geschwindigkeit ändern. In „Wellenbrennpunkten“ kann sich Energie an einem bestimmten Punkt sammeln wie das Licht unter einer Lupe. Wenn eine Welle, so Janssen gegenüber der BBC, über eine Sandbank oder eine andere Strömung ziehe, könnten solche „Wellenbrennpunkte“ zur Wirkung gelangen. Das Computermodell soll Hotspots erkennen, an denen solche Strömungsüberlagerungen auftreten. Es kommt zu dem Ergebnis, dass an einem Hotspot drei extreme Wellen auf tausend normale kommen, während sich in einem normalen Wellenfeld nur alle 10.000 Wellen drei extremere Varianten finden. Bisher ist das Modell der Forscher rein theoretischer Natur. Eine Prüfung der Zuverlässigkeit ist an einem Abschnitt der Cortes Bank, einer z. T. bis an die Meeresoberfläche heran reichenden Untiefe 82 Kilometer südwestlich von San Clemente, der südlichsten der kalifornischen Kanalinseln, mittels realer Messdaten geplant. Die Cortes Bank gilt als eine Zone, in der sich unterschiedliche Strömungen im Meer kreuzen. ⓘ

Für die Schifffahrt wäre ein Modell, das Zonen mit hoher Monsterwellen-Wahrscheinlichkeit relativ genau eruiert, von hohem Nutzen, könnte man dann doch Seewege nach der Wahrscheinlichkeit solcher „Freak-Wellen“ ausrichten. Doch dafür muss sich erst die Tauglichkeit des kalifornischen Erklärungsmodells erweisen. ⓘ

Gegenmanöver

Bis in die 2000er Jahre galt es als sinnvollste Gegenmaßnahme, die Welle mit voller Maschinenkraft möglichst frontal anzugehen, da dieser Bereich des Schiffes für die höchsten Belastungen ausgelegt ist und die Welle zerschneidet. Neueste Erkenntnisse deuten darauf hin, dass dies nicht das Optimum darstellt, sondern die Welle – sofern sie früh genug erkannt wird und ein Manöver überhaupt noch möglich ist – analog zur Technik des Überfahrens einer Düne mit einem Geländewagen leicht schräg anzuschneiden sei. Zwar entsteht hierdurch eine extreme Druckbelastung des Vorderbugs durch die Wassermassen, die Gefahr des Durchbrechens des Schiffes ist jedoch deutlich geringer und bei genügend kleinem Winkel ist auch die Wahrscheinlichkeit des Kenterns nicht sehr hoch. ⓘ

Monsterwellen in der Optik

Das plötzliche Auftreten von extremen Wellenausreißern (Rogue Waves oder Freak Waves) aufgrund nichtlinearer Wechselwirkung wurde 2007 auch in der Glasfaseroptik nachgewiesen, also einem ganz anderen Bereich von Wellenphänomenen (D. Solli, Claus Ropers u. a., University of California, Los Angeles). Bei Anregung mit relativ schwachen Pulsen roten Lichts wurde bisweilen ein Übergang ins Superkontinuum (weißes Licht mit breitem Wellenlängenspektrum) beobachtet, wie er sonst in der nichtlinearen Optik nur nach Anregung mit Pulsen hoher Intensität auftrat. Man erhofft sich bei allen Unterschieden aus dem Studium von Monsterwellen in der Optik auch Rückschlüsse auf das Phänomen bei Wasserwellen. ⓘ

Siehe auch

Bermudadreieck
Extremwerttheorie
Liste von Katastrophen der Schifffahrt ⓘ

Literatur

Fiktionale Texte

Paul Gallico: Der Untergang der Poseidon. (The Poseidon Adventure). Roman, 1969 ⓘ

Nonfiktionale Texte

Susan Casey: Monsterwellen. Auf der Suche nach der Urgewalt des Meeres (Originaltitel: The Wave, übersetzt von Harald Stadler). Droemer, München 2011, ISBN 978-3-426-27461-3.
Stefan Krücken, Achim Multhaupt (Fotograf): Orkanfahrt – 25 Kapitäne erzählen ihre besten Geschichten (Ill. von Jerzovskaja). Ankerherz, Appel 2007, ISBN 978-3-940138-00-2.
Lars Schmitz-Eggen: Monsterwellen – Wenn Schiffe spurlos verschwinden (Das Rätsel um die Freak Waves), Edition Walfisch, Bad Zwischenahn 2006, ISBN 978-3-938737-12-5. ⓘ

Artikel in Zeitungen und Zeitschriften bzw. deren Webpräsenz

Bengt Eliasson, P. K. Shukla: Instability and Nonlinear Evolution of Narrow-Band Directional Ocean Waves. In: Physical Review Letters Band 104, 2010, doi:10.1103/PhysRevLett.105.014501.
Gary Cleland, Nigel Bunyan, Laura Clout: Ferry rescue after freak wave in Irish Sea. In: The Telegraph, 1. Februar 2008
Instability and Evolution of Nonlinearly Interacting Water Waves. In: Physical Review Letters (Band 97, Artikel 094501, 2006)
Were extreme waves in the Rockall Trough the largest ever recorded? In: Geophysical Research Letters, Band 33, 2006, L05613
Wasser – das unzähmbare Element. In: GEO, Ausgabe März 2005
Matthias Schulz: Ich spürte den Atem Gottes – Die verharmloste Horrorfahrt der MS „Bremen“. In: Der Spiegel. Nr. 51, 2001 (online).
Roland Fischer, Urs Willmann: Vierzig Meter Wasser. In: Die Zeit, Nr. 35/2007 ⓘ

Film und Fernsehen

Filme

Die Höllenfahrt der Poseidon, Film aus dem Jahr 1972
Der Sturm, Film aus dem Jahr 2000
Poseidon, Film aus dem Jahr 2006 (Neuverfilmung von 1972) ⓘ

Dokumentationen

BBC Dokumentation Freak Waves vom 14. November 2002
Zoe Heron: Monsterwellen auf dem Meer – Schiffe in Seenot (Produktion von BBC/TLC), ZDF 2004
N24 Dokumentation Auf der Spur der Killerwellen vom 18. März 2007
Zoe Heron: „Universum“-Dokumentation Die Monsterwelle aus dem Jahr 2007 ⓘ