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Ein Brecher erfasst Kapstadts Hafen Kalk Bay.
Ein Brecher erfasst Kapstadts Hafen Kalk Bay.(Foto: REUTERS)

Mysteriöses Wetterphänomen: Monsterwellen auf der Spur

30 Meter hohe Wasserwände, die Schiffe unter sich begraben und Offshore-Anlagen verwüsten. Lange Zeit wird die Existenz derartiger Riesenbrecher bezweifelt. Inzwischen gelten sie als bewiesen. Nun wollen Forscher ergründen, wie die Extremereignisse zustande kommen.

Am 1. November 2006 tobt über der Nordsee der Sturm "Britta". Von Nordwesten peitschen nachts Orkanböen mit weit über 100 Kilometern pro Stunde über das aufgewühlte Meer und türmen die Wellen in der Deutschen Bucht etwa elf Meter hoch auf. Für Offshore-Anlagen eigentlich kein Problem. Doch gegen 5 Uhr morgens rollen nördlich von Borkum drei wesentlich höhere Brecher auf die Forschungsplattform Fino-1 zu. Auf einer Ebene in 15 Metern Höhe reißen sie Geländer samt Kabelsträngen aus den Halterungen.

Rein statistisch dürften solche Riesenwellen hier nur einmal in 100 Jahren auftauchen. Aber fast auf den Tag genau ein Jahr später, am 9. November 2007, zieht das Sturmtief "Tilo" über die Deutsche Bucht und setzt der gleichen Ebene von Fino-1 erneut schwer zu. Für die Forschung erweisen sich beide Unglücke letztlich als Glücksfälle – enthüllen sie doch Wissenschaftlern neue Erkenntnisse darüber, unter welchen Bedingungen Monsterwellen überhaupt entstehen können. Solche Informationen werden dringend benötigt, denn derartige Ungetüme gefährden Schiffe, Windkraftanlagen oder Öl- und Gasplattformen, nicht nur in der Nordsee.

Draupner-Welle räumt Zweifel aus

Bis Mitte der 1990er Jahre zweifelten viele Experten an der Existenz solcher Riesenbrecher, die Schiffe verschlingen können. Berichte von Seeleuten über sich turmhoch aufbauende weiße Wände wurden abgetan als Seemannsgarn, ins Reich der Fantasie verbannt, gemeinsam mit Riesenkraken oder Meerjungfrauen. Dabei gab es reichlich ernstzunehmende Hinweise auf derartige Ungetüme – etwa Kreuzfahrtschiffe, deren Fenster in 20 Metern Höhe zerschmettert worden waren.

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Die Wende kam wieder in der Nordsee, an Neujahr 1995 um 16.20 Uhr: Dort wurde etwa 160 Kilometer vor der norwegischen Küste die Gasplattform Draupner E bei einem Sturm mit eigentlich "nur" 12 Meter hohem Seegang von einer 26-Meter-Welle getroffen, die mit mehr als 100 Stundenkilometern über die raue See schoss. Sieben Stunden später, um 23:14 Uhr, kenterte 570 Kilometer entfernt, westlich von Borkum, der deutsche Seenotkreuzer "Alfried Krupp", ebenfalls in einer gewaltigen Welle, die zwei Besatzungsmitglieder über Bord spülte.

Die Draupner- oder Neujahrs-Welle, die die Offshore-Plattform traf, wurde zweifelsfrei dokumentiert und sorgte in der Wissenschaft für ein Umdenken. Inzwischen sind zahllose Fälle durch Messbojen, Kameras an Offshore-Plattformen oder Aufnahmen von Satelliten belegt. Dass Wellen von 30 Metern oder sogar noch mehr auftreten, können Forscher mittlerweile auch in Versuchen in Seegangsbecken nachweisen.

Hinweise auf nichtlineare Effekte

Doch wie kann es überhaupt dazu kommen, dass sich Wasser plötzlich dermaßen auftürmt? Früher erklärten Physiker solche Zusammenhänge linear – davon ausgehend, dass sich Wellenfolgen überlagern und die Höhe so steigern. Die Verteilung solcher Ausreißer nach oben müsste dann im Rahmen der Gaußschen Normalverteilung liegen – also je höher, desto unwahrscheinlicher und damit seltener.

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Jedoch ist unstrittig, dass die Extremereignisse wesentlich häufiger vorkommen, als im Rahmen einer Gaußschen Normalverteilung zu erwarten wäre. Das werten viele Physiker und Mathematiker als Hinweis auf nichtlineare Effekte: dass sich verschiedene Komponenten – etwa die Distanzen zweier folgender Wellenkämme und die Winkel zwischen Wellenfeldern – nicht nur überlagern, sondern sogar aufschaukeln und ihre Energie räumlich so fokussieren, dass sich Wasserberge weit über das zu erwartende Maß hinaus auftürmen.

"Diese Phänomene kann die lineare Theorie nicht erklären", sagt der Physiker Prof. Norbert Hoffmann von der TU Hamburg. "Schaut man längere Zeit großflächig auf sich überlagernde Wellen, dann treten nichtlineare Effekte deutlicher hervor." Demnach können Wellen ihre Energie an bestimmten Punkten bündeln. Die auf nichtlinearen Bedingungen aufbauenden Extremwellen können Wissenschaftler zwar in Wellenkanälen nachstellen und beobachten. Doch wovon das Auftreten des Effekts im Meer im Einzelnen abhängt, ist bis heute unklar. "Aufnahmen oder Messungen, die solche Prozesse auf einer größeren Meeresfläche, etwa einem Quadratkilometer, langfristig erfassen, gibt es bislang leider nicht", sagt Hoffmann.

Gepulstes Windfeld treibt Wogen in die Höhe

Einen weiteren, bisher unbekannten Faktor leiteten DLR-Forscher aus den Orkanen vom November 2006 und 2007 über der Nordsee ab: Beim Auswerten von Satellitenbildern des Gebiets um Fino-1 bemerkte Susanne Lehner ringförmige sechseckige Wolkenformationen mit einem Durchmesser von 30 bis 90 Kilometern.

"Die offenen Zellen entstehen, wenn kalte Luft in Paketen auf die Oberfläche der relativ warmen Nordsee fällt, während ringsum Luft aufsteigt und Wolkenringe bildet", sagt die Mathematikerin von der gerade eröffneten DLR-Forschungsstelle Maritime Sicherheit in Bremen. Wenn sich die Winde mit ähnlicher Geschwindigkeit ausbreiten wie die langen Wellen auf dem Meer - Lehner spricht von einem gepulsten Windfeld -, so können sie den Wogen ständig Energie zuführen und die Wellen enorm anwachsen lassen. Demnach kann schon eine einzelne offene Zelle die lokale Wellenhöhe um etwa drei Meter emportreiben, eine Gruppe von Zellen sogar um mehr als sechs Meter.

Genau solche Wolkenringe konnte sie während des Fino-Unfalls auf den optischen Aufnahmen beobachten, ebenso die passenden Windböen auf den Radaraufnahmen. Die unter den Wolken auftretenden Böen zogen mit derselben Geschwindigkeit wie die Wellengruppen und erzeugten jene Brecher, die die Plattform verwüsteten.

Wenn solche Wolkenformationen über das Meer ziehen, satteln Meteorologen inzwischen auf ihre Prognosen des Seegangs ein paar Meter drauf. Dennoch: So können sie Schiffe zwar auf anstehende Unwetter hinweisen. Aber satellitengestützte Warnsysteme, die die Besatzungen zuverlässig vor konkreten Monsterwellen warnen, gibt es bis heute nicht.

Vorhersagen schwierig

Das Hauptrisiko besteht weniger darin, dass Monsterwellen Schiffe zerbrechen oder verschlingen. Schiffe können zwar kentern, wenn sie quer zum Seegang fahren. Doch große Gefahren drohen auch dann, wenn sie manövrierunfähig werden – etwa wenn eine Welle die Fenster auf der Brücke zerschlägt und auf dem empfindlichsten Teil des Schiffes einen Kurzschluss verursacht. Das geschah im Februar 2001 auf dem Kreuzfahrtschiff "Bremen": Der Ozeanriese trieb danach eine halbe Stunde lang mit Schlagseite vor Argentinien auf hoher See.

Die bislang zuverlässigste Möglichkeit zur Vorbeugung sind oben auf Schiffen angebrachte Radarsysteme, die ihre Umgebung großräumig abscannen. Auf Grundlage solcher Daten entwickelte Clauss an der TU Berlin ein Prognoseverfahren zur Vorhersage extremer Schiffsbewegungen und möglicher Risiken. "Das Seegangsradar tastet das Umfeld bis in fünf Kilometer Entfernung ab, und daraus ermitteln wir, ob ein Wellensystem einem Schiff gefährlich werden kann", sagt er. Dabei sieht der Kapitän auf der Brücke Wellenhöhe, Wellenrichtung und Kurs des Schiffes. Bei Bedarf kann er Kurs und Geschwindigkeit korrigieren und so sicherer navigieren.

Doch 100-prozentigen Schutz vor einzelnen Wellentürmen bietet auch dieser Seegangsradar nicht. Und selbst wenn das Aufspüren einer entstehenden Monsterwelle etwa mittels Satellit eines Tages möglich sein sollte: Ein solcher Hinweis würde einem Kapitän kaum genug Zeit lassen, den Kurs seines Schiffes zu korrigieren. Aber immerhin könnte ein Alarm dafür sorgen, dass die Besatzung schleunigst unter Deck geht und sich so in Sicherheit bringt.

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Quelle: n-tv.de

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