01.06.2016 – Forschung

Dem Phänomen „Extremwelle“ auf der Spur

  • Extremwellen sind außergewöhnliche Ereignisse - daher gibt es kaum Bilder dieses Phänomens. Dieses Foto ist daher als Symbolbild zu verstehen. Foto: EpicStockMedia

Extremwellen – Wasserberge mit einer Höhe von bis zu 30 Metern – verursachen immer wieder schlimme Schiffsunglücke. Doch bis heute ist unklar, wie sie entstehen. Ein Wissenschaftlerteam hat nun einen Teil des Geheimnisses gelüftet: Die Forscher haben eine Methode zur kurzfristigen Vorhersage von Extremwellen entwickelt.

Ihre Ergebnisse wurden kürzlich im „New Journal of Physics“ veröffentlicht. Hauptautor des Fachartikels ist der Oldenburger Doktorand Ali Hadjihosseini, ebenfalls beteiligt sind Dr. Matthias Wächter sowie Prof. Dr. Joachim Peinke. Die VolkswagenStiftung fördert das von der Universität Hamburg koordinierte Verbundprojekt finanziell.

Extremwellen – nicht zu verwechseln mit Tsunamis – sind einzelne Wellen, die ganz plötzlich auftreten, häufig auf offener See. Sie sind mindestens doppelt so groß wie die Wellen, die sie umgeben, und 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 Extremwellen als Seemannsgarn abgetan, doch seit Satellitenbilder Anfang der 1990er ihre Existenz bewiesen, wecken sie zunehmend das Interesse der Wissenschaft.

Der Versuch, Extremwellen vorherzusagen, scheiterte bisher häufig an dem Problem, dass sich das Phänomen nicht mit linearer Mathematik beschreiben lässt. Die Oldenburger Wissenschaftler haben nun einen anderen Weg ausprobiert: Sie entwickelten eine statistische Methode, mit der sich Extremwellen vorhersagen lassen – die sogenannte Multipunkt-Statistik.

Konkret erfassten die Experten Wellenhöhen an verschiedenen Messpunkten zu unterschiedlichen Zeiten, hauptsächlich mithilfe von Bojen.  Um die Fülle von Messdaten analysieren zu können, wendeten sie einen Trick aus der Wahrscheinlichkeitsrechnung an, den sogenannten Markow-Prozess. Der Haupteffekt: Selbst wenn nur ein Teil der Vorgeschichte eines Ereignisses bekannt ist, ist eine ebenso gute Entwicklungsprognose möglich wie bei der Betrachtung des gesamten Hergangs. Dieser Kniff ermöglichte es den Forschern, ihre Messdaten zu vereinfachen, ohne auf wichtige Informationen verzichten zu müssen.

„Das war der entscheidende Schritt“, erinnert sich Wächter. Er geht davon aus, dass seine Forschung eines Tages für mehr Sicherheit auf hoher See sorgen wird. Bisher liegt die Vorhersage für einzelne Wellen allerdings nur im Bereich einiger Sekunden – viel zu knapp, um als Seemann noch reagieren zu können. „Das allgemeine Risiko von Extremwellen lässt sich allerdings schon gut bestimmen“, so Wächter weiter. Darüber hinaus könne die Multipunkt-Statistik auch für die Vorhersage anderer Phänomene eingesetzt werden, beispielsweise Windböen. Eine entsprechende Forschung am Institut für Physik läuft bereits.