mini|hochkant=1.5|Monsterwelle in der französischen Biskaya bei ca. 200 Metern Wassertiefe (ca. 1940). Die Wellenhöhe kann nur geschätzt werden.
Monsterwellen (auch Riesenwellen oder Kaventsmänner) sind außergewöhnlich hohe, einzelne marine Wasserwellen. Lange Zeit galten Monsterwellen als Seemannsgarn, bis Satellitenaufnahmen und andere Messungen ihre Existenz bewiesen. Erst seit 1995 sind sie anerkannt und werden intensiv erforscht.
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.
Beschreibung Charakteristik Monsterwellen überschreiten die „signifikante Wellenhöhe“, also den Mittelwert des höchsten Drittels der Wellen in einem Seegang, um mindestens das Doppelte. Sie haben eine vergleichsweise kurze Wellenlänge und eine relativ hohe Geschwindigkeit. Ein weiteres Merkmal ist ihre steile Vorderfront.
Es werden dabei Wellenhöhen von über 15 Metern auf offener See erreicht, was man lange für unmöglich gehalten hatte.
Drei Arten von Monsterwellen sind bisher bekannt: der Kaventsmann (engl. ), eine große, relativ schnelle Welle, die nicht der Richtung des normalen Seegangs folgt; die Drei Schwestern (engl. ), drei schnell aufeinander folgende große Wellen, in deren schmalen Tälern Schiffe nicht den nötigen Auftrieb entwickeln können und dann von der zweiten oder spätestens dritten Woge überrollt werden. Es ist unklar, ob dieses Phänomen immer aus exakt drei Wellen besteht oder ob Varianten mit zwei, vier oder fünf Wellen vorkommen; die Weiße Wand (engl. ), eine sehr steile Welle, von deren Kamm die Gischt herabsprüht, gefolgt von einem tiefen Wellental.
Häufigkeit Bei Radarmessungen in der Nordsee, die unter anderem von Julian Wolfram von der Heriot-Watt Universität Edinburgh auf der Ölplattform Draupner durchgeführt wurden, registrierte man innerhalb von zwölf Jahren 466 Monsterwellen. Mit den europäischen Umweltsatelliten ERS-1 und -2 wurden im Rahmen des MaxWave-Projekts weltweit Radarmessungen vorgenommen und dabei in drei Wochen zehn Wellen gemessen, die mehr als 25 m Höhe hatten. Damit wurde nachgewiesen, dass Monsterwellen häufiger auftreten als zuvor vermutet.
Monsterwellen konzentrieren sich in Gegenden mit starken Meeresströmungen. Die Seegebiete südöstlich und östlich von Südafrika sowie die Südspitze Südamerikas (Kap Hoorn) sind berüchtigt für das Auftreten von Monsterwellen. Auch Seegebiete, in denen die Wassertiefe plötzlich abnimmt, sind bekannt für gefährlichen Seegang.
Gefahren durch Riesenwellen Der massive Aufprall einer Riesenwelle auf ein Schiff kann zu schweren Zerstörungen oder zum Untergang führen. Einige Forscher glauben, dass beim Versinken von Großschiffen mit über 200 Metern Länge meistens Monsterwellen direkt oder indirekt die Ursache waren. 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, die 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.
Die Gefahr des Kenterns ist am größten, wenn das Schiff seitlich getroffen wird, weil das Trägheitsmoment der Längsachse am kleinsten und die Angriffsfläche für die Welle maximal ist. Unter Berücksichtigung des Problems der Punktbelastung ist die Gefahr für das Schiff wahrscheinlich am geringsten, wenn die Welle nicht frontal, sondern leicht schräg überfahren wird.
Abgrenzung zu Tsunamis Monsterwellen haben wenig mit Tsunamis gemein. Während ein Tsunami durch plötzliche Bewegungen des Meeresbodens (Seebeben, Vulkanausbruch, Hangrutsch), die gesamte Wassersäule von der Oberfläche bis zum Grund in Bewegung gerät, ist an einer Monsterwelle nur Oberflächenwasser beteiligt. Da die Wellenhöhe eines Tsunamis auf offenem Meer niedrig ist (nur bis zu einem Meter) und die Wellenlänge sehr lang (mehrere hundert km), läuft der Tsunami unter einem Schiff so sanft durch, dass die Welle von Menschen auf dem Schiff zumeist nicht bemerkt wird. Eine Monsterwelle jedoch türmt sich auch auf hoher See zu einer Wasserwand auf.
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.„Albtraum Monsterwellen – es gibt sie…“ In: Hamburger Abendblatt, 28. Juli 2004.
Forschung Beginn der Erforschung mini|Diagramm der Draupner-Welle
Bis 1995 galten Monsterwellen, über die schon seit Jahrhunderten von Seeleuten berichtet wird, als reine Erfindungen („Seemannsgarn“). Verluste von Schiffen wurden schlechter Wartung oder mangelnden seemännischen Fähigkeiten zugeschrieben, auch wenn es Fälle gab, bei denen diese Begründungen nicht ausreichten.
Zwei Ereignisse mit eindeutig dokumentierten Monsterwellen führten dann dazu, dass deren Existenz nicht mehr in Frage gestellt wurde: In der Neujahrsnacht 1995 wurde von der automatischen Wellenmessanlage der norwegischen Ölbohrplattform Draupner-E während eines Sturms in der Nordsee eine einzelne Welle – heute als „Draupner-Welle“ bekannt – mit 18,5 m Höhe dokumentiert.P. Taylor et al.: The Nature of the Draupner Giant Wave of 1st January 1995. (PDF; 716 kB) Department of Engineering Science, University of Oxford 2006 (englisch). Noch im selben Jahr, am 11. September, wurde der britische Luxusliner Queen Elizabeth 2 auf dem Weg von Cherbourg nach New York über der Neufundlandbank von Monsterwellen getroffen.Report of Ronald Warwick, Captain of the Queen Elizabeth 2. BBC, 14. November 2002 (englisch). Damit wurde klar, dass es Monsterwellen gibt, und wissenschaftliche Forschungen begannen.
Die von der wissenschaftlichen Forschung zuvor bestimmte maximale Höhe natürlicher Ozeanwellen von 15 m war zugleich Maßstab für die Auslegung der Belastbarkeit im Schiffbau auf 16,5 m. Erst ein Forschungsauftrag der Versicherungen, die für den Verlust von Schiffen aufzukommen hatten, brachte neue Erkenntnisse.
Methoden Die Höhe von Monsterwellen kann durch Radarmessungen bestimmt werden. Auf senkrecht von oben aufgenommenen Satellitenbildern sind sie an einem starken Kontrast erkennbar, der durch ihre steile Vorderfront verursacht wird. Bei normalen Wellen, die auf beiden Seiten ähnlich steil sind, fehlt der starke Kontrast.
Die Entstehung von Monsterwellen kann in einem Wellenkanal oder einem großen Wasserbehälter nachgestellt werden. Im Jahr 2018 versuchten britische Forscher die Entstehung der fast 20 Meter hohen Draupner-Welle im Maßstab 1:35 nachzustellen, indem sie in einem runden Wellentank mit 25 Metern Durchmesser zwei Wellenfronten in verschiedenen Winkeln aufeinandertreffen ließen. Sie fanden heraus, dass ein Winkel von 120 Grad Monsterwellen ermöglicht. Bei anderen Winkeln türmt sich die Welle zwar ebenfalls durch Überlagerung der Wellenfronten auf, sie bricht aber, bevor sie die Größe einer Draupnerwelle erreicht.Lars Fischer: Überraschung im Wellentank: Historische Monsterwelle ähnelte bekanntem Kunstwerk spektrum.de, 23. Januar 2019.
Erklärungen mini|Modell der Überlagerung von Wellen, hier am Beispiel von Wellen mit derselben Laufrichtung mini|Eine „Monsterwelle“ im Kleinformat (Wellenkanal in Hannover-Marienwerder) mini|Eine „Superwelle“ im Labor
Der wichtigste Mechanismus bei der Entstehung von Monsterwellen ist die Überlagerung mehrerer Wellen (Interferenz). Dabei können Wellen mit bis zu 40 Metern Höhe entstehen. Starker Wind gegen die Richtung der Meeresströmung macht die Entstehung hohen Seegangs wahrscheinlicher. Eine Dünung kann ebenfalls gegen eine Meeresströmung laufen. Dabei werden die Wellen kürzer, aber steiler und höher. Kommen dann noch Überlagerungen hinzu, entstehen große Wellen.
Der Seegang setzt sich grundsätzlich aus Komponenten unterschiedlicher Wellenlänge – und damit Ausbreitungsgeschwindigkeit (siehe dazu auch Phasengeschwindigkeit) – und Richtung zusammen. Die momentane lokale Wasserstandshöhe wird häufig zunächst statistisch nach dem zentralen Grenzwertsatz normalverteilt angenommen. Man bezeichnet heuristisch die intuitiv empfundene Seegangshöhe als durch die signifikante Wellenhöhe gegeben (das arithmetische Mittel der Wellenhöhen des höchsten Drittels der Wellen). Die Normalverteilung lässt aber auch viel größere Höhendifferenzen zu, die nur sehr selten vorkommen, deren Häufigkeit unter Annahme der Normalverteilung aber genau bestimmt werden kann. Während man früher davon ausging, dass sehr hohe Wellen („Jahrhundertwelle“) seltener auftreten, als es der Normalverteilung entspricht, führen neuere Beobachtungen und theoretische Ansätze zum gegenteiligen Schluss. Die Ursache hierfür liegt darin, dass die Überlagerung der Elementarwellen nicht linear ist, wie es der zentrale Grenzwertsatz voraussetzt. Insgesamt wird die Verteilung seltener hoher Wellen in Abweichung von der Normalverteilung noch nicht vollständig verstanden.
Um Monsterwellen erklären zu können, sind komplexe Modelle notwendig. So wandte Alfred Osborne, Professor der Physik an der Universität Turin, erstmals 1965 die quantenmechanistische Schrödingergleichung zur Beschreibung der nichtlinearen Ausbreitung von Hochseewellen an. Entsprechend diesen Gleichungen entsteht die Monsterwelle eher zufällig aufgrund von Welleninstabilitäten, indem sie lokal aus ihren umgebenden Wellenzügen Energie absaugt und dadurch viel höher als die umgebenden Wellen werden kann. Seine frühen Arbeiten wurden von Ozeanografen nur wenig beachtet. Osborne verwarf diese Berechnungsmethode – bis 1995 auf der Ölbohrplattform Draupner-E in der Nordsee eine einzelne Welle registriert wurde, die Osbornes Vorhersagen entsprochen hatte. Die Nichtlinearität von Wasserwellen ist seitdem anerkannt und wird seit etwa 2001 von Schiffbauern berücksichtigt.
Inzwischen gibt es auch Anhaltspunkte dafür, dass Monsterwellen durch Wellenbrechung an Hindernissen im Rahmen einer linearen Theorie und nicht durch (nichtlineare) Resonanzeffekte entstehen.Der Ursprung der Monsterwellen. In: Wissenschaft aktuell, 24. September 2009. Der Artikel bezieht sich auf Forschungen an der Universität Marburg: Höhmann, Kuhl, Stöckmann, Heller, Kaplan: Freak waves in the linear regime: a microwave study. (PDF; 529 kB) In: Physical Review Letters. Band 104, 2010, 093901, (). Dies wurde in einer Simulation von Wellen und deren Brechung an im Vergleich zur Wellenlänge kleinen Metallkegel-Hindernissen durch Mikrowellen im Labor festgestellt.
Vorhersagen besonders gefährdeter Gebiete