Monsterwelle voraus!

Sie bäumen sich plötzlich auf, greifen ohne Vorwarnung an – und stellen die Wissenschaft vor Rätsel: riesige Wellen, die Schiffe mit einem Schlag versenken können. Über zwei Millionen Menschen haben allein in Deutschland vor ein paar Jahren schaudernd den Film „Der Sturm” angesehen. Darin geht es um das Schicksal von sechs Fischern, deren Schiff Andrea Gail auf hoher See in einen Sturm gerät. Das Schwertfischboot kämpft sich durch die tobenden Wellen, als sich plötzlich eine gigantische Wasserwand vor ihm auftürmt. Mit aller Kraft arbeitet sich die Andrea Gail die fast senkrechte Wand hoch – dann begräbt die Monsterwelle es unter sich. Der Film basiert auf einer wahren Begebenheit aus dem Jahr 1991. Augenzeugen haben nicht überlebt, aber als das Boot später an Land geschwemmt wurde, stand der Schalter für den Seenotruf auf Aus. Man wertete das als Indiz dafür, dass eine unerwartet auftauchende Riesenwelle dem Kapitän keine Zeit gelassen hatte. Lange glaubten viele Meereswissenschaftler nicht an die Existenz von Wellen, die sich bis zu 40 Meter hoch auftürmen. Doch die moderne Forschung hat sie eines Besseren belehrt. Im Rahmen des EU-Projekts „MaxWave” ließen sich diese Brecher mit verschiedenen Methoden nachweisen, sogar mit Hilfe von Satelliten. Seitdem interessieren sich nicht nur Wissenschaftler für das Phänomen, sondern auch Firmen, die Schiffe, Bohrplattformen oder Off-shore-Windkraftanlagen bauen. Aus gutem Grund: Immer wieder geraten Schiffe nach der Kollision mit einer Monsterwelle in Seenot. Manche können sich in einen sicheren Hafen retten. Und die Besatzungsmitglieder berichten von gewaltigen Brechern, wie sie Meeresforscher lange Zeit als Seemannsgarn abgetan haben. Aufsehen erregte die Havarie des Kreuzfahrtschiffes MS Bremen im Südatlantik am 22. Februar 2001. Um 6.20 Uhr morgens brach eine – nach den Schätzungen der Besatzung – 30 bis 40 Meter hohe Welle über das Deck herein und zerschlug die Brücke. Das Salzwasser zerstörte die elektronischen Systeme, wodurch die Motoren aussetzten. Über eine halbe Stunde lang trieb das Schiff manövrierunfähig im tosenden Orkan. Schließlich gelang es, einen Motor wieder anzuwerfen und den Luxusliner in den nächsten Hafen zu retten. Im April 2005 wurde das norwegische Kreuzfahrtschiff Norwegian Dawn vor Florida von einem über 20 Meter hohen Brecher getroffen. „Es fühlte sich an, als ob der Bug des Schiffs aus dem Wasser gehoben und dann ins Meer zurück geschmettert worden wäre”, erinnerte sich später ein Passagier. Auch hier zerschlug die Welle Fenster und setzte Kabinen unter Wasser. Solche Augenzeugenberichte sowie objektive Messungen auf See haben inzwischen auch die letzten Zweifler überzeugt. Es gibt sie, die Monsterwellen und Kaventsmänner, und sie stellen für die Schifffahrt eine große Gefahr dar. Allerdings dauerte es bis 1998, dass ein Seegericht eine Monsterwelle erstmals als Havarie-Ursache anerkannte. Im Jahr 2002 gingen weltweit 167 Schiffe unter, davon 81 bei schwerem Wetter. Wahrscheinlich fielen etliche davon einer Monsterwelle zum Opfer – doch wie viele weiß niemand. Wolfgang Rosenthal, der ehemalige Leiter von MaxWave – das Projekt wurde Ende 2003 abgeschlossen –, hat insbesondere Schiffsunfälle, bei denen der Kapitän nicht einmal mehr Zeit fand, das Seenotsignal auszulösen, unter Verdacht. Rosenthal arbeitet am GKSS-Forschungszentrum Geesthacht – einer Institution, die 1956 unter dem Namen „Gesellschaft für Kernenergieverwertung in Schiffbau und Schifffahrt GmbH” gegründet und in den Siebzigerjahren als Forschungszentrum ausgerichtet wurde. An MaxWave beteiligten sich Wetterdienste, Schiffbauexperten, der Schiffs-TÜV Norske Veritas, europäische Universitäten und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Forscher und Ingenieure aus ganz unterschiedlichen Bereichen arbeiteten zusammen, um herauszufinden, welche Bedingungen die Entstehung von Monsterwellen begünstigen. Und Konstrukteure dachten darüber nach, auf welche Weise sie künftig Schiffe, Bohrplattformen und Off-shore-Windkraftanlagen vor solchen gewaltigen Brechern besser schützen können. Besonders wichtig ist es, die Extremwellen aufzuspüren und zu vermessen. Nur so lässt sich das von ihnen ausgehende Risiko abschätzen. Ein Durchbruch gelang den Wissenschaftlern der GKSS mit dem Bau eines Radars, das Wellenhöhen vom Schiff aus vermessen kann. Dieses WaMos-Gerät (Wave Monitoring System) installierten sie auf Ölplattformen und auf zwei Frachtern. Elf Wochen lang fuhr das Containerschiff Grey Fox 2001 damit von Deutschland aus an der Westküste Europas und Afrikas entlang, ums Kap der Guten Hoffnung herum bis nach Mosambik. Die Northern Pioneer überquerte den Atlantik ein halbes Jahr später, durchfuhr den Panama-Kanal und steuerte anschließend die Westküste der USA hoch bis nach Japan. Beide Schiffe gerieten dabei in Gebiete, die für schwere See berüchtigt sind. Das WaMos-Instrument hat sich inzwischen so gut bewährt, dass es als Ausgründung der GKSS von der Firma OceanWaveS in Lüneburg weiter entwi-ckelt und kommerziell vertrieben wird. WaMos liefert etwa alle fünf Minuten Höhe, Richtung, Länge und Periode der Wellen bis zu einer Entfernung von fünf Kilometern. Das hilft dem Kapitän, gefährlichen Situationen auszuweichen, insbesondere einer so genannten Kreuzsee, bei der Wellen aus verschiedenen Richtungen kommen. Wenn sich eine Monsterwelle nähert, bleibt allerdings höchstens noch Zeit, um Mannschaft und Passagiere in Sicherheit zu bringen. WaMos wird derzeit vor allem auf Öl- und Gasförder-Plattformen genutzt, aber auch an einigen Küstenwachstationen und Leuchttürmen. Um die Weltmeere flächendeckend zu erfassen, sind Späher aus der Erdumlaufbahn erforderlich. Deshalb werteten DLR-Forscher Radaraufnahmen des europäischen Satelliten ERS 2 aus. Radar hat auch den Vorteil, dass die relativ langen Wellen durch die Wolken hindurchschauen und die Meeresoberfläche Tag und Nacht abscannen können. Allerdings gab es bis vor Kurzem keine geeigneten Computerprogramme, um die Daten auszuwerten. „Sehr viele Störeinflüsse, – wie der Neigungswinkel der Wellen oder die Bewegung des Wassers – müssen herausgerechnet werden, bevor man die korrekten Wellenhöhen erhält”, erklärt Johannes Schulz-Stellenfleth vom DLR in Oberpfaffenhofen. Die Tauglichkeit des Programms konnten die Wissenschaftler Ende 2003 im Zusammenhang mit den WaMos-Daten überprüfen. Sie werteten insgesamt 37 000 Einzelaufnahmen werteten sie aus, um einen globalen Wellenatlas zu erstellen. Er zeigt allerdings nicht den Zustand der Meere an einem einzigen Tag. Drei Wochen benötigte der Satellit, um die Erde ein einziges Mal zu kartieren. In diesem Wellenatlas zeichnen sich deutlich Gebiete ab, in denen Riesenwellen gehäuft auftreten. Insgesamt fanden sich auf den Radarbildern weltweit zehn Monsterwellen, die 25 Meter oder höher waren. Das ist wesentlich mehr, als die Experten erwartet hatten. Gehäuft gab es sie zwischen Südamerika und Südafrika. Über die Ursache können die Forscher bislang nur spekulieren. Einen Hinweis könnten die ebenfalls von ERS 2 gemessenen Windfelder geben. Wie die Forscher feststellten, stimmten zur Messzeit stets Geschwindigkeit und Richtung von Wind und Wellen in etwa überein. Möglicherweise ist dies also eine günstige Voraussetzung dafür, dass der Wind seine Energie in die Wellen pumpt. Wie Ozeanologen von Seefahrer-Berichten wissen, werden Monsterwellen gehäuft östlich vom Kap der Guten Hoffnung beobachtet. Dort gibt es eine nach Süden gerichtete Meeresströmung, den Agulhas-Strom. Bei geeigneter Wetterlage prallt er in der Nähe des Kaps fast frontal auf Sturmwellen aus dem Atlantik oder dem Südpolarmeer. Dadurch werden die Sturmwellen gestaucht, stellen sich steil auf – und können als Monsterwellen weiterlaufen. Zurzeit wertet Schulz-Stellenfleth einen zweijährigen Datensatz des Satelliten ERS 2 aus. Damit sollte es möglich sein, einen aussagekräftigen Risikoatlas der Weltmeere zu erstellen. Hoffnungen setzen die Wissenschaftler auch auf die Daten des europäischen Umweltsatelliten Envisat, der pro Tag 2000 Radar-Aufnahmen zur Erde funkt. Ähnliche Effekte wie vor der Südafrikanischen Küste können auch in anderen Regionen der Welt auftreten, etwa beim nordatlantischen Golfstrom, dort wo er mit Wellen aus der Labradorsee zusammentrifft. Aber vermutlich gibt es noch andere Ursachen für die Bildung von Monsterwellen – dafür spricht ihr unterschiedliche Aussehen. Ozeanographen kennen drei Typen: • Unregelmäßig geformte Einzelwellen (Kaventsmänner), • Wellengruppen mit typischerweise drei sehr hohen Kämmen (Three Sisters) und • sehr steile, fast senkrecht aufragende Wellenfronten (White Walls), die nach Augenzeugenberichten mehrere Kilometer lang sind. Rosenthal vermutet, dass sich drehende Windfelder eine entscheidende Rolle bei der Entstehung der Riesen spielen. Sie schieben Wellensysteme aus unterschiedlichen Richtungen zusammen und bringen sie zum Überlagern. Dies ist möglicherweise vor dem Unglück der Andrea Gail geschehen. Als sie auf hoher See war, braute sich um sie herum ein Wirbelsturm zusammen, den Meteorologen später den „perfekten Sturm” nannten. Am 27. Oktober 1992 hatte sich in den Subtropen der Hurrikan Grace gebildet, der in Richtung Norden über den Atlantik brauste. Als der Wirbelsturm sich schon fast erschöpft hatte, stieß er am 29. Oktober vor der Nordamerikanischen Ostküste auf ein riesiges Tiefdruckgebiet. Beide vereinigten sich und erzeugten einen gewaltigen Hurrikan, der nun nach Süden raste und die See aufwühlte. Die Andrea Gail sank am 28. Oktober kurz nach Mitternacht, als der Hurrikan seine volle Stärke noch gar nicht erreicht hatte. Dass Hurrikane Monsterwellen auslösen, zeigten auch Messgeräte des Wasserdrucks vor der Mündung des Mississippi: Als am 15. September 2004 zufällig der Hurrikan Ivan vorüberzog, registrierten sie eine 27,7 Meter hohe Welle, wie David W. Wang vom Naval Research Laboratory in Missouri und seine Kollegen im August 2005 in der Fachzeitschrift „Science” berichteten. Da die Messsta- tion 30 Kilometer von Ivan entfernt war, dürften sich die Wellen in der Nähe des Wirbelsturms sogar auf 40 Meter oder mehr aufgetürmt haben. Seit einigen Jahren versuchen sich auch Mathematiker daran, das Rätsel der Monsterwellen zu lösen. Ein norwegisches Team um Kristian Dysthe von der Universität Bergen stieß dabei auf einen überraschenden Zusammenhang mit einem ganz anderen Gebiet – der Quantenphysik. Die Wissenschaftler generierten im Computer einen imaginären Wassertank, an dessen einem Ende ein beliebiges Wellenmuster erzeugt werden kann. Dort ließen sie Wellen mit unterschiedlicher Wellenlänge loslaufen, wobei die kurzwelligen zuerst starteten. Da lange Wellen schneller laufen, holten sie die kürzeren ein. Die Wellen überlagerten sich und steilten sich dabei zu unerwarteter Höhe auf. Aber, fragen die Mathematiker, auf welche Weise sollten im Ozean genau solche Wellenzüge entstehen? Denn für regelmäßige Wellenzüge ist die natürliche Wellenanregung viel zu chaotisch. Realistischer erscheint ein anderer Vorgang, den Physiker „ nichtlineare Fokussierung” nennen. Schon in den Sechzigerjahren hatten Forscher bemerkt, dass in einem regelmäßigen Wellenzug einzelne Wellen spontan in Gruppen mit unterschiedlicher Wellenlänge zerfallen können. Sie laufen mit verschiedenen Geschwindigkeiten weiter – und überlagern sich schließlich zu Extremwellen. Dysthe und seine Kollegen haben dieses Verhalten mit einer quantenphysikalischen Formel beschrieben, die der österreichische Physiker Erwin Schrödinger 1926 entwickelt hatte. Er erfasste damit den Wellencharakter atomarer Teilchen. Diese nichtlineare Schrödinger-Gleichung für Wellen hat unterschiedliche Lösungen. Eine von ihnen nannte Dysthe den „Atmer”. Er entsteht, wenn bei einem Überlagerungsvorgang eine Welle die sie umgebenden Wellen verschluckt und sich dabei aufbläht. „Dann ‚atmet‘ sie auf Kosten der anderen”, erklärt der Mathematiker sein Modell. Doch ob seine Rechnungen die Realität richtig wiedergeben, ist nicht sicher. Er geht von einem regelmäßigen Wellenzug aus, aber auf dem Meer bewegen sich Wellen unterschiedlicher Wellenlänge in unterschiedliche Richtungen. Dadurch wird das Bild sehr kompliziert und ist nicht mehr vorhersagbar. Das ahnte schon vor über hundert Jahren der britische Physiker Lord Rayleigh, als er sagte: „Das grundlegende Gesetz von Meereswellen besteht darin, dass es offensichtlich keine Gesetze gibt.” Dennoch ist es mit geschickten Methoden möglich, Riesenwellen zu simulieren. Daran arbeitet die Gruppe um Günther Clauss von der Technischen Universität Berlin. Die Forscher kombinierten Computersimulationen mit Experimenten in ihrem 80 Meter langen und 4 Meter breiten Wellenkanal. „Wir glauben unseren Rechenergebnissen erst, wenn wir sie im Versuch verifiziert haben” , sagt Clauss. Ihre Hybrid-Methode funktioniert so: Im ersten Schritt wählen die Forscher eine bestimmte Wellensequenz aus, die in der Mitte ihres Kanals entstehen soll. Dann berechnet der Computer, wie die Wellenmaschine am Anfang des Kanals sich bewegen muss, damit die definierte Wellenfolge entsteht. Anschließend wird diese Situation im realen Kanal durchgespielt. Dabei entsteht im Allgemeinen die gewünschte Welle nicht gleich im ersten Anlauf. Deshalb muss man Korrekturen in den Computer eingeben, der daraus einen neuen Rhythmus der Wellenmaschine berechnet, mit dem es wieder in den Kanal geht – und so weiter. Diesen iterativen Vorgang wiederholen die Forscher so lange, bis die gewünschte Situation eintritt. Dann untersuchen sie, wie sich das Modell eines Schiffs oder einer Ölplattform in dieser Welle verhält – und wie man die Konstruktion optimieren und sicherer machen kann. Diese Tests sind für kooperierende Unternehmen wie die Flensburger Schiffbaugesellschaft sehr wertvoll, wenn es um die Konstruktion neuer Schiffe geht. So hat es sich gezeigt, dass Schiffe weniger leicht kentern, wenn man ihr Heck breiter gestaltet als bisher und es mit der Ladung stärker belastet als den Bug. Fest steht: Die Sicherheitsanforderungen bei der Konstruktion von Schiffen und Bauwerken auf See müssen schärfer werden. Eine Ölplattform wird bislang so hoch gebaut, dass sie dem 1,86fachen der signifikanten Wellenhöhe im jeweiligen Gebiet standhält. Dass dies nicht immer ausreicht, hat das Beispiel der norwegischen Nordsee-Bohrinsel Draupner gezeigt. Am Neujahrstag 1995 wurde sie von einer Monsterwelle erfasst, die einen Teil der Aufbauten beschädigte. Noch kurz zuvor hatte ein Experte prognostiziert, die Plattform würde von einer solchen Extremwelle aller Wahrscheinlichkeit nach nur alle 10 000 Jahre getroffen. „In der Nordsee hat man den Standard bereits hochgesetzt”, erklärt Clauss und mahnt: „Die neuen Erkenntnisse sollten künftig generell berücksichtigt werden, auch beim Bau von Windkraftanlagen vor der Küste.” ■ THOMAS BÜHRKE ist Wissenschaftsjournalist und promovierter Astronom. Der Film „Der Sturm” motivierte ihn zur Recherche dieses Artikels. Thomas Bührke COMMUNITY LESEN Das Buch zum Film: Sebastian Junger Der Sturm Heyne, München 2005, € 7,95 Internet Details zu Monsterwellen: www.saevert.de/2freakwaves.htm www.esys.org/rev_info/monsterwellen.html Homepage der Andrea Gail: www.andreagail.com/ Forschung an der TU Berlin: www.naoe.tu-berlin.de/ EU-Projekt „Maxwave”: w3g.gkss.de/projects/maxwave Ohne Titel Wie die monsterwellen genau entstehen, ist nicht bekannt. Hier das plausibelste Szenario: (1) Der durch Tiefdruckgebiete erzeugte Wind treibt Wellen mit unterschiedlicher Höhe, Länge und Geschwindigkeit vor sich her. (2) Die langsameren, kurzen Wogen werden von den schnelleren, längeren eingeholt. (3) Wenn sich mehrere Wasserberge überlagern, bildet sich eine bis zu 40 Meter hohe Riesenwelle, auch „Freak Wave” genannt. Meeresströmungen wie der Golfstrom begünstigen die Entstehung solcher Monsterwellen. Eine Welle zählt erst dann zur Kategorie der Monster- oder Extremwellen, wenn sie mindestens 2,2-mal höher ist als die so genannte signifikante Wellenhöhe. Die errechnet sich aus der mittleren Höhe von einem Drittel der höchsten Wellen, die innerhalb eines bestimmten Zeitraumes in einem Seegebiet gemessen wurden. Ohne Titel • Bis zu 40 Meter hohe Wellen gefährden Schiffe, Ölbohrplattformen und Windkraftanlagen auf den Weltmeeren. • Mit Radarsatelliten lassen sich die Wasserriesen studieren. • Theoretische Modelle und Experimente in Wasserkanälen sorgen für verbesserte Konstruktionsstandards bei Schiffen und Bauten auf See.