Schwer fassbare Extremwellen
Die spektakulärsten Meereswellen entstehen unter sehr besonderen Bedingungen: wenn die stärksten Winde eines Sturms sich genau mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen wie die Wellen selbst. Diese Synchronisation ermöglicht es den Wellen, über mehrere Stunden an Höhe und Länge zuzunehmen und dabei eine phänomenale Energie in einem Gebiet von weniger als 300 km Durchmesser zu konzentrieren. Danach verteilt sich diese Energie allmählich in Form von Dünung über den gesamten Ozean.
Ein internationales Team unter der Leitung von Forschern des CNRS Terre & Univers (siehe Kasten) hat alle globalen Stürme seit 1991 nach ihren maximalen Wellen katalogisiert und klassifiziert. Während Wettervorhersagemodelle Höhen von bis zu 23 Metern auf offener See vorhersagen, haben die aufeinanderfolgenden Altimetrie-Satelliten seit 1992 niemals 18,5 Meter überschritten. Der Grund? Diese Instrumente decken nur einen sehr kleinen Teil des Ozeans ab und verfehlen systematisch die extremsten Zonen der Stürme, die nur wenige Stunden andauern.
Seltene Aufnahmen von sehr rauer See, mit Wellentälern von 10 bis 12 m im Südlichen Ozean, am 9. April 2018. Mit einer maximalen Höhe von geschätzt 12,8 m ist dieser Sturm der 4170. im Sturmkatalog 1991-2024.
© Benoit Stichelbaut
SWOT: Das Unsichtbare sehen
Der im Dezember 2022 gestartete Satellit SWOT (Surface Water and Ocean Topography) ändert die Lage. Über die einfache Höhenmessung klassischer Altimeter hinaus kartiert SWOT den Meeresspiegel mit einer unerreichten Auflösung von 250 Metern, was es ermöglicht, einzelne Wellen zu "sehen" und gleichzeitig deren Höhe, Länge und Richtung zu messen.
Selbst wenn er nicht direkt über das Herz eines Sturms fliegt, erfasst SWOT die Dünung, die davon ausströmt und sich über Tausende von Kilometern ausbreitet. Die Forscher können dann zur Quelle zurückverfolgen, wie man einen Fluss hinauffährt, und die Eigenschaften der Wellen zum Zeitpunkt ihrer Entstehung im Sturm rekonstruieren. Am 21. Dezember 2024 kam SWOT außergewöhnlich nahe an das Zentrum des Sturms "Eddie" im Nordpazifik heran: Er verzeichnete einen neuen absoluten Rekord mit einer signifikanten Wellenhöhe von 19,7 Metern, also der höchsten jemals von einem Satelliten seit Beginn der Weltraumbeobachtungen im Jahr 1991 gemessenen Welle. Dieser Wert übertrifft auch alle Aufzeichnungen, die von Bojen auf See durchgeführt wurden.
Die enthüllte "Energiekaskade"
Die Analyse von Hunderten von Dünungsbahnen enthüllt bedeutende Entdeckungen. Die von Eddie erzeugten Dünungen erreichten Längen von 400 bis 1.600 Metern und wurden vom Nordpazifik bis zum tropischen Atlantik beobachtet. In 5.600 km Entfernung vom Sturm detektierte SWOT immer noch Wellen von 1.360 m Länge (entsprechend einer Periode von 30 Sekunden) und nur 6 cm Höhe, an der Grenze seiner Empfindlichkeit.
Die Wellenhöhe nimmt mit der Entfernung vom Sturm sehr schnell ab, gemäß einem spektakulären Potenzgesetz: proportional zu d⁻⁹ (wobei d die Entfernung ist). Dieses Verhalten bestätigt eine Theorie, die 1962 vom deutschen Physiker Klaus Hasselmann¹ formuliert wurde: Die energiereichsten Wellen übertragen einen Teil ihrer Energie durch nichtlineare Wechselwirkungen mit vier Wellen auf leicht längere Wellen, wodurch eine echte "Energiekaskade" entsteht, die es den Wellen ermöglicht, phänomenale Höhen zu erreichen. Zum ersten Mal wird diese Kaskade für so lange Wellen beobachtet, bis zum 1,5-fachen der dominanten Periode des Sturms.
Schema der Funktionsweise von SWOT© NASA/JPL-Caltech.
Konkrete Auswirkungen
Diese Entdeckungen haben die Forscher dazu veranlasst, die empirischen Spektralformen zu korrigieren, die seit den 1960er Jahren in allen Wellenmodellen verwendet werden. Die alte Formulierung überschätzte die Energie der längsten Wellen (zwischen 1,2 und 1,4 Mal der dominanten Periode) um einen Faktor 20. Dieses Update wird es ermöglichen, die maritimen Wettervorhersagen zu verbessern und unser Wissen über Extremwellen zu verfeinern, eine entscheidende Information für die Konzeption von Infrastrukturen auf See und an den Küsten.
Und auch ein großes Sicherheitsproblem: Die Dünung, die vom Sturm Eddie erzeugt wurde, verursachte Opfer und erhebliche Schäden von Kanada bis Peru, Tausende von Kilometern von ihrem Ursprungsort entfernt. Diese Beobachtungen eröffnen außerdem neue Perspektiven für die Interpretation der seismischen Signale, die von Meereswellen erzeugt werden und seit über einem Jahrhundert aufgezeichnet werden, mit Perioden von bis zu 26 Sekunden.
Anmerkung
¹ Klaus Hasselmann erhielt 2021 den Nobelpreis für Physik für seine Beiträge zur physikalischen Modellierung des Erdklimas und zur Erkennung des menschengemachten Klimawandels. Seine Arbeiten zu nichtlinearen Wechselwirkungen zwischen Meereswellen, die er bereits 1962 formulierte, stellen ebenfalls einen bedeutenden Beitrag zur physikalischen Ozeanographie dar.