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Dem Phänomen Monsterwelle auf der Spur

Internationales Forscherteam unter Beteiligung der Universität Osnabrück setzt Extremereignisse in Bezug zu thermodynamischen Gesetzen

Analysedaten zur Entropie. Abb.: Dr. rer. nat. Pedro Goncalves Lind

Entropie-Analysedaten. Abb.: Dr. rer. nat. Pedro Goncalves Lind

Lässt sich die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer Monsterwelle – einem bis zu 30 Meter hohen Wasserberg – anhand der Wellen in der Umgebung einschätzen? Die Antwort lautet ja – und sie stellt die bisher vorherrschende Auffassung in Frage, Monsterwellen seien nicht vorhersagbare Erscheinungen, die aus dem Nichts kommen und spurlos wieder verschwinden. Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, diese Extremereignisse eines Tages besser vorhersagen zu können. Gelungen ist die Wahrscheinlichkeitseinschätzung einem Forscherteam unter Leitung der Arbeitsgruppe des Turbulenzforschers Prof. Dr. Joachim Peinke der Universität Oldenburg und des Doktoranden Ali Hadjihosseini am dortigen Institut für Physik. Maßgeblich mitbeteiligt an der Untersuchung war außerdem Dr. Pedro Goncalves Lind von der Universität Osnabrück, zudem waren Forscher aus Hamburg, Großbritannien und Japan in die Arbeit involviert.

Monsterwellen – nicht zu verwechseln mit Tsunamis – sind einzelne Wellen auf offener See, die mindestens doppelt so groß sind wie die Wellen, die sie umgeben. Sie entwickeln enorme Kräfte beim Aufprall. Kleinere Schiffe können sinken, größeren droht die Manövrierunfähigkeit. Experten gehen davon aus, dass bis zu zehn Schiffsunglücke pro Jahr auf die Wellenungetüme zurückzuführen sind. Lange Zeit wurden Monsterwellen als Seemannsgarn abgetan, doch seit Satellitenbilder Anfang der 1990er Jahre ihre Existenz bewiesen, wecken sie zunehmend das Interesse der Wissenschaft. Wie sie genau entstehen ist noch umstritten.

Um dem Phänomen auf die Spur zu kommen, verglichen die Forscher um Hadjihosseini in dem von der VW-Stiftung geförderten Forschungsprojekt „Extreme Ocean Gravity Waves“ Messdaten aus der Nordsee und der Japanisches Meer, wobei die japanischen Daten eine Monsterwelle einschlossen. „Wir konnten zeigen, dass Monsterwellen nicht beliebig auftreten, sondern exakten thermodynamischen Gesetzen folgen“, erläutert Hadjihosseini. Das Schlüsselwort lautet Entropie. Diese physikalische Größe beschreibt – vereinfacht ausgedrückt – die Ordnung beziehungsweise Unordnung der einzelnen Teilchen in einem physikalischen System. Wie ordentlich die Anordnung ist, hängt eng mit thermodynamischen Gesetzen zusammen.

Vor diesem Hintergrund analysierten die Forscher die Wellen in der Nordsee und des Japanischen Meers. Es gelang ihnen, einzelnen Wellen spezifische Entropiewerte zuzuordnen: Kleine Wellen sind Folge einer Entropieerhöhung, wohingegen die gefürchteten Monsterwellen durch eine Entropieabnahme charakterisiert sind. „Diese Wellen können somit, trotz ihrer destruktiven Wirkung, als Inseln der Ordnung im Meer betrachtet werden“, fasst Lind zusammen. Die Veränderung der Entropiewerte dient den Forschern somit als Indikator für die Wahrscheinlichkeit einer Monsterwelle: Je größer die Entropieabnahme desto wahrscheinlicher tritt in ihrem Umfeld eine Monsterwelle auf. Eine weitere wichtige Erkenntnis der Forscher ist, dass die Unordnung erzeugende Entropieerhöhung und die Ordnung schaffende Entropieabnahme durch ein sehr genau erfülltes thermodynamisches Gesetz ausbalanciert sind. Jeder Monsterwelle muss also eine gewisse Anzahl normaler, unordentlicher Wellen gegenüberstehen.

„Mit diesen Ergebnissen haben wir einen neuen Zugang zu Charakterisierung und Modellierung von Meereswellen geschaffen. Nun können die Risiken von Wellen allgemein und Monsterwellen im speziellen besser eingeschätzt und eines Tages vielleicht sogar Vorhersagen getroffen werden“, sagt Peinke.

Das Forschungsergebnis wurde im Fachjournal "Europhysics Letters" (Volume 120, Number 3) veöffentlicht:  „Rogue Waves and entropy consumption“ by Ali Hadjihosseini, Pedro G. Lind, Nobuhito Mori, Norbert P. Hoffmann and Joachim Peinke.