Wie werden Schurkenwellen geboren?

Es ist schwer vorstellbar, wie gewalttätig der Ozean sein kann. Plötzlich tauchen die extremsten Ereignisse aus der umgebenden Dünung auf und erreichen die Höhe eines zehnstöckigen Gebäudes, bevor sie einige zehn Sekunden später verschwinden. Obwohl viele Fragen zu diesen Schurkenwellen noch offen sind, reproduzieren kürzlich in der Zeitschrift Physical Review Fluids veröffentlichte Laborexperimente sie und identifizieren ihren Bildungsmechanismus.

Von der Folklore bis zur In-situ-Beobachtung

Schurkenwellen gelten seit langem als Mythos. Durch die Gegenprüfung verschiedener Quellen sehen wir, dass sie zumindest seit dem XV. Erwähnt wurdene Jahrhundert. Christophe Colomb oder der französische Entdecker Dumont d’Urville behaupten, einige gesehen zu haben. Die Akademie der Wissenschaften, die regelmäßig beauftragt ist, Besatzungen Anweisungen für Erkundungsreisen auf See zu erteilen, gibt in ihrem ersten Wochenbericht von François Arago aus dem Jahr 1853 an, der sich auf die Reise von La Bonite bezieht:

“Die jungen Offiziere, aus denen sich die Bonito-Mitarbeiter zusammensetzen, werden wahrscheinlich sehr überrascht sein, wenn wir sie warnen, dass keiner ihrer Vorgänger die folgenden Fragen vollständig gelöst hat: Was ist die größte Höhe der Wellen? bei Stürmen? Was ist ihre größte Querabmessung? Was ist ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit? “”

Schurkenwelle von einem Handelsschiff im Golf von Biskaya um 1940.
NOAA / Wikimedia

Es ist jetzt möglich, diese größeren Wellen systematisch aus aktuellen Datensätzen zu identifizieren. Dazu berechnen wir zunächst die typische Höhe (als „signifikante Höhe“ bezeichnet) einer Dünung, nämlich den Durchschnitt von einem Drittel der größten angetroffenen Amplituden. Jede Welle, die mindestens doppelt so groß ist wie diese signifikante Höhe, ist per Definition eine Schurkenwelle.

Die bekannteste Aufnahme fand am 1. Januar 1995 auf einer Ölbohrinsel in der Nordsee statt: Umgeben von Wellen, die typischerweise elf Meter hoch sind, erreichte eine von ihnen plötzlich sechsundzwanzig Meter, zum Glück ohne Schaden zu verursachen. spürbarer Schaden. Ähnliche Messungen, die von Radar- oder Offshore-Anlagen durchgeführt werden, bringen regelmäßig neue Beispiele für Schurkenwellen rund um den Globus. Die Frage ist also nicht mehr, ob solche Wellen existieren, sondern warum sie sich bilden.

Ein nichtlinearer Ansatz

Das Studium von Wellen ist im Allgemeinen ein sehr komplexes Problem. Eine meteorologische Vorhersage von Wellen auf See erfordert daher den Einsatz von Supercomputern und ermöglicht nur den Zugriff auf durchschnittliche Eigenschaften wie eine signifikante Höhe. In den 1980er Jahren gelang es einem Forscher namens Howell Peregrine jedoch, eine theoretische Lösung mit den gleichen Eigenschaften wie Schurkenwellen zu finden, die seitdem “Peregrines Soliton” genannt wird.

Auf den ersten Blick sieht das Soliton eines Wanderfalken wie eine ganz normale Welle aus, aber zu einem bestimmten Zeitpunkt und an einem bestimmten Ort verdreifacht sich seine Höhe und kehrt dann auf sein ursprüngliches Niveau zurück.

Der Effekt hinter diesem bemerkenswerten Verhalten wird als “nichtlineare Fokussierung” bezeichnet. Dies spiegelt die Tatsache wider, dass eine Welle, die etwas höher als ihre Nachbarn ist, Energie von ihnen pumpt und so ihre Amplitude zum Nachteil ihrer unmittelbaren Umgebung erhöht. Bei genauerer Betrachtung von Peregrines Soliton sehen wir, dass es anfänglich einen unmerklich höheren Abschnitt als der Rest hat, der mit der Zeit zunimmt, bis sich seine Amplitude verdreifacht.

Um diese Berechnung durchzuführen, beschränkt sich Howell Peregrine auf ein einfaches mathematisches Modell, bei dem sich alle Wellen in die gleiche Richtung ausbreiten und schwach gewölbt sind, dh wo die Wasseroberfläche in Bezug auf leicht geneigt bleibt horizontal. Natürlich sind diese Einschränkungen nicht mit der rauen See vereinbar, die bei Stürmen auftritt, bei denen sich die Wellen in alle Richtungen ausbreiten und so steil sind, dass sie regelmäßig brechen. Es ist eher eine Dünung, die von einem regelmäßigen Wind gebildet wird, wobei die Wellen dann in ihre Richtung weisen und wenig gewölbt sind.

Die ersten Schurkenwellen im Labor

Diese Anwendungsgrenzen machen die Durchführung von Laborexperimenten wesentlich, um festzustellen, wie relevant diese mathematische Lösung für die Beschreibung der im Ozean beobachteten Schurkenwellen ist. Diese haben Höhen, die bis zu dreißig Meter erreichen können, auf den ersten Blick sieht es zart aus! Glücklicherweise sind die Gleichungen der Strömungsmechanik so, dass Tests an reduzierten Modellen eine Extrapolation der Ergebnisse auf reale Skalen ermöglichen. Dieses Prinzip wird beispielsweise verwendet, um die Schiffsrümpfe zu optimieren.

Im Jahr 2011 führten drei Forscher eine Studie in einem fünfzehn Meter langen hydrodynamischen Kanal mit einem Schläger an einem Ende durch, um die gewünschten Wellen zu erzeugen. In diesem Fall wird letztere mit der von Peregrine berechneten theoretischen Lösung mit einer typischen Höhe von zwei Zentimetern und einer Wellenlänge von einem halben Meter hergestellt. Eine Schurkenwelle wird dann effektiv beobachtet. Ein Video, das einige Jahre später unter im Wesentlichen gleichwertigen Bedingungen erstellt wurde, steht hier zur Verfügung, um Ihre Ideen zu verwirklichen.

Erstellen Sie Schurkenwellen in einem künstlichen Kanal, um sie besser zu verstehen.

Konzeptionell wichtig bleibt die praktische Anwendung dieses Ergebnisses begrenzt, da diese ganz bestimmten Wellen wahrscheinlich nie angetroffen werden. vor Ort.

Von einer sehr spezifischen Lösung zu zufälligen Wellen

Zwei Jahre später erweitern zwei Mathematiker das Ergebnis von Peregrine und zeigen, dass sich viele Wellen spontan zu Schurkenwellen entwickeln, ähnlich wie wenn ihre Amplitude das maximale Periton von Peregrine ist. Dieses theoretische Ergebnis ist sicherlich immer noch auf Wellen beschränkt, die sich in eine Richtung ausbreiten und schwach gewölbt sind, aber ihre Form kann nun beliebig sein. Das mathematische Objekt beschreibt die im Ozean angetroffenen Wellen viel besser.

Anschließend wird an der École Centrale de Nantes ein Experiment durchgeführt: Wir verwenden unseren Traktionspool, um die gewünschten Wellen an einem Ende zu erzeugen und ihre Entwicklung über fast 150 Meter zu beobachten, wie auf dem Foto unten gezeigt.

Traktionsbecken der École Centrale de Nantes während der Untersuchung von Schurkenwellen (Kredit: Éric Falcon).

Zufällige kleine gewölbte Wellen werden zuerst mit einem Schläger in das Becken geschickt. Wie vorhergesagt, treten während der Ausbreitung Schurkenwellen auf, die den Solitonen von Peregrine ähneln. Das gleiche Experiment wird dann mit Wellen größerer Amplitude durchgeführt, die dann aus dem theoretischen Modell der beiden Mathematiker hervorgehen. Schurkenwellen werden immer noch beobachtet, brechen dann aber schnell und ähneln nicht mehr Peregrines Soliton. Dieses Ergebnis zeigt, dass der nichtlineare Fokussierungsmechanismus, dessen Anwendungsbereich zuvor als recht restriktiv angesehen wurde, für die Bildung einer Vielzahl von Extremereignissen verantwortlich ist.

In den letzten Jahrzehnten rasant gewachsen, bleiben viele Fragen zu Schurkenwellen offen. Insbesondere bleibt es unmöglich, unter gegebenen meteorologischen Bedingungen die größtmögliche Höhe der Wellen vorherzusagen. Die Beobachtung von Arago, die mit den Offizieren von La Bonite geteilt wurde, bleibt daher fast zwei Jahrhunderte später aktueller denn je.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.