Warum das Meer rauscht und wie Monsterwellen entstehen

Diese Aufnahme ist 2013 während eines schweren Sturms an der Mündung des Flusses Douro bei Porto an der portugiesischen Atlantikküste entstanden. (Zacarias Pereira Da Mata 123rf)

Die Weite, das Rauschen, das stetige Auf und Ab der Wellen: Mit seinen besonderen Eigenschaften hat das Meer Menschen schon immer fasziniert. „Das Meer ist keine Landschaft, es ist das Erlebnis der Ewigkeit“, schrieb der Schriftsteller Thomas Mann (1875 bis 1955), und Jules Verne (1828 bis 1905), der zu den ersten Science-Fiction-Autoren gerechnet wird, sprach vom Meer als „lebende Unendlichkeit“.

Auch heute, in Zeiten, in denen sich Naturwissenschaftler bei ihrer Forschung einer Vielzahl von technischen Hilfsmitteln bedienen können, steckt das Meer noch immer voller Rätsel. Im globalen Mittel ist es etwa 3800 Meter tief, an den tiefsten Stellen sogar mehr als 10 000 Meter, und darüber, wie es in den Tiefen aussieht, gibt es nach wie vor nur vereinzelte Erkenntnisse. Auch Phänomene, die an der Meeresoberfläche auftreten, werfen weiterhin Fragen auf.

Ein Beispiel sind die sogenannten Monsterwellen. Lange Zeit als Seemannsgarn abgetan, gelten riesige Wellen auf offener See inzwischen als erwiesen. Eine Möglichkeit, sie nachzuweisen, besteht auf Ölbohrplattformen. In den vergangenen 20 Jahren sind Tausende solcher riesigen Wellen registriert worden.

Wie Dünung entsteht

Der Abstand vom tiefsten Punkt – dem Wellental – zum höchsten – dem Wellenkamm – ist die Wellenhöhe, der von einem Wellenkamm zum nächsten die Wellenlänge. Für Wellen auf dem Meer ist meist der Wind verantwortlich. Von seiner Stärke hängt in der Regel auch ab, welche Höhe die Wellen erreichen. Lässt ein Sturm nach, gehen die kurzen, steilen Wellen in die Dünung über, das heißt in lange und vergleichsweise flache Wellen. Dünungswellen können noch weitab von ihrem Entstehungsgebiet auftreten.

Sie sind mit gewöhnlich mehreren hundert Metern länger als die bei Stürmen auftretenden Wellen und können eine Höhe von einigen Metern erreichen. Auch wenn es die unablässig vorbeirollenden Wellen auf See nahelegen – Wassermassen werden durch sie nicht fortbewegt. Das wusste schon Leonardo da Vinci (1452 bis 1519). Er verglich Wellen mit einem vom Wind gekämmten Kornfeld. Trotz der Wellenbewegung bleiben die Halme an Ort und Stelle.

Verheerender Tsunami

Dass der Wind keineswegs die einzige Ursache für die Bildung von Wellen ist, hat sich unter anderem bei unterseeischen Vulkanausbrüchen und Erdbeben gezeigt. Auch diese können Wellen verursachen. Ein besonders eindrucksvolles Beispiel hierfür liefert die verheerende Flutkatastrophe in Küstenregionen am Indischen Ozean im Jahr 2004. Ein Seebeben hatte zur Bildung einer Flutwelle, eines sogenannten Tsunamis, geführt.

Durch das Beben am Meeresgrund vor Sumatra wurde nicht nur wie bei einem Sturm die Meeresoberfläche in Bewegung versetzt, sondern gleich die gesamte Wassersäule. Genauer: Der gesamte Ozean in diesem Bereich, das heißt eine 5000 Meter hohe Wassersäule, wurde um einige Dezimeter angehoben.

Die bei solchen Naturereignissen entstehenden vergleichsweise flachen und lang gestreckten Flutwellen – zwischen den Kämmen können mehrere hundert Kilometer liegen – rasen mit Jet-Geschwindigkeit über das offene Meer. In einem von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft veröffentlichten Beitrag ist von etwa 950 Kilometern pro Stunde bei einer Meerestiefe von 7500 Metern die Rede.

Erst wenn die Wassertiefe abnimmt, beginnen solche Wellen, sich aufzutürmen. Während Geschwindigkeit und Wellenlänge aufgrund des flacheren Wassers abnehmen, steigt die Wellenhöhe an. Durch die Reibung am Boden wird die Welle im unteren Bereich verlangsamt, während sie näher an der Wasseroberfläche schneller läuft. Irgendwann kommt es dann zum Brandungseffekt; die Welle überschlägt sich.

Zusammenspiel von Tönen

Wenn Wellen brechen, entsteht das typische Meeresrauschen. Dies geschieht nicht nur, wenn Wellen aufs Ufer treffen, sondern auch auf offener See, sodass das Rauschen auch dort zu hören ist. Verantwortlich ist Expertenangaben zufolge die Luft, die beim Brechen von Wellen ins Wasser gelangt.

Es bilden sich zahllose Bläschen, die vom Wasser verformt werden und zu schwingen beginnen. Dadurch verursachte Schallwellen breiten sich nicht nur im Wasser, sondern auch in der Luft aus. Hinzu kommt, dass Bläschen platzen. Die Schallwellen haben unterschiedliche Frequenzen, abhängig von der Größe der Bläschen. Kurz gesagt: Das Meeresrauschen ist das Ergebnis vieler unterschiedlicher Töne.

Zu den Schiffsunglücken, die in den vergangenen Jahrzehnten viel Aufsehen erregt haben, gehört der Untergang des Frachtschiffs „München“ 1978 während eines schweren Sturms im Atlantik. Heimathafen der „München“ war Bremen. Die Hintergründe und der genaue Verlauf des Unglücks nördlich der Azoren konnten nie endgültig geklärt werden. Fachleute nehmen aber an, dass riesige Wellen mit Höhen von mehr als 30 Metern das Unglück verursacht haben könnten.

Starker Seegang

Hohe Wellen können entstehen, wenn es stürmt und der Wind die Möglichkeit hat, über lange Strecken auf offener See einen entsprechenden Seegang aufzubauen. Einem Beitrag des Zentrums für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen (MARUM) zufolge lassen sich daraus Wellenhöhen ableiten, wie sie in den Seegangstabellen der ozeanografischen Handbücher enthalten sind. Danach wird eine mittlere Wellenhöhe von mehr als 15 Metern erreicht, wenn sich ein Sturm mit Windstärke zehn mindestens drei Tage lang über einer freien Seestrecke von 1570 Seemeilen (etwa 2900 Kilometer) austoben kann.

Mittlere Wellenhöhe bedeutet, dass auch sehr viel höhere Wellen auftreten können. Unter Umständen sind sie mehr als doppelt so hoch wie die mittleren Wellen und werden dann von Fachleuten als Monsterwellen bezeichnet. Im Zusammenhang mit riesigen Wellen werden noch andere Begriffe genannt.

Wenn beispielsweise von Kaventsmann die Rede ist, ist eine einzelne Welle mit unbestimmter Form gemeint. Ragt eine einzelne Welle hingegen nahezu senkrecht auf, wird sie als Weiße Wand bezeichnet. Auch der Ausdruck Drei Schwestern fällt hin und wieder. Er bezeichnet mehrere kurz nacheinander auftretende Riesenwellen.

Monsterwellen

Während inzwischen unstrittig ist, dass einzelne Wellen eine extreme Höhe von mehr als 30 Metern erreichen können, wird über die Ursachen nach wie vor viel spekuliert. Physiker haben unter anderem herausgefunden, dass zwei Meereswellen, die sich vereinigen, völlig anderen Regeln folgen als die Einzelwellen. Überlagerungen können auch auftreten, wenn starker Wind einen hohen Seegang verursacht, der dann auf eine Meeresströmung wie etwa den Agulhasstrom vor Südafrika oder den Kuroschiostrom östlich von Japan trifft.

Aus solchen Gebieten wird besonders häufig von ungewöhnlich hohen Wellen berichtet. Selbst in der Nordsee sind riesige Wellen möglich. Ein berühmtes Beispiel ist die sogenannte Draupner-Welle. Sie wurde 1995 auf der Draupner-Ölplattform vor der norwegischen Küste registriert und hatte eine Höhe von 26 Metern.

Sollten Monsterwellen tatsächlich zufällig dann auftreten, wenn sich verschiedene Wellen überlagern, besteht keine Chance, solche Ereignisse vorherzusagen. Wie eine kürzlich im Fachjournal „Scientific Reports“ veröffentlichte Studie verdeutlicht, gibt es allerdings die Möglichkeit, Informationen über die Wahrscheinlichkeit des Auftretens solcher Wellen zu gewinnen.

Komplexe Dynamik

Wenn sich eine Vielzahl von Wellen überlagert, wie dies zum Beispiel geschieht, wenn sich zwei verschiedene Wellengruppen aus unterschiedlichen Richtungen begegnen, kann sich die Wahrscheinlichkeit um ein Vielfaches erhöhen. Nach Darstellung der Forschergruppe um Simon Birkholz vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin könnte ein möglicher Ansatz darin bestehen, die Komplexität der Wellendynamik zu messen, indem die Anzahl der sich in einem Punkt überlagernden Wellen abgeschätzt wird.

Während Birkholz und zahlreiche weitere Wissenschaftler ihr Augenmerk den riesigen Wellen an der Meeresoberfläche widmen, beschäftigen sich andere Forscher mit den Wellen, die in tieferen Bereichen des Ozeans auftreten und als interne Wellen bezeichnet werden. Diese Wellen bewegen sich nach den Erkenntnissen von Experten entlang von Grenzflächen, an denen Wasserschichten unterschiedlicher Dichte aufeinandertreffen. Solche Dichteunterschiede ergeben sich dadurch, dass Wassermassen unterschiedliche Temperaturen und einen unterschiedlichen Salzgehalt haben können.

Wassermassen vermischen sich

Ihre Energie erhalten interne Wellen unter anderem aus Gezeitenströmungen. Hinter diesem Begriff verbergen sich Strömungen, die vor allem in Küstengebieten infolge des Wechsels von Ebbe und Flut auftreten. „Interne Wellen sind maßgeblich für die Vermischung der unterschiedlich dichten Wassermassen im Ozean verantwortlich. Dabei transportieren sie wichtige Nährstoffe aus der Tiefe an die vom Sonnenlicht durchflutete Meeresoberfläche“, betonte vor wenigen Jahren der Ozeanograf Marcus Dengler vom Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (GEOMAR), nachdem er zusammen mit anderen Forschern ein Meeresgebiet vor der Küste Perus untersucht hatte.

Nach Darstellung der Wissenschaftler führt eine besonders energiereiche Art von internen Wellen am Kontinentalhang zu intensiven Vermischungsprozessen. Außerdem wird abgelagertes Material den Kontinentalhang hinaufbefördert. Die Kontinente verfügen über eine Art Saum, einen Sockel, der in Meeresgebiete hineinragt und dazu führt, dass das Meer dort vergleichsweise flach ist.

Solche Gebiete werden als Schelfmeere bezeichnet. Sie sind in der Regel höchstens 200 Meter tief. An diese Randbereiche schließt sich der Kontinentalhang an, der mehr oder weniger stark geneigt sein kann. Die Wassertiefe nimmt in diesen Gebieten deutlich zu. Laut Dengler gibt es besonders energiereiche interne Wellen nicht nur vor Peru, sondern zum Beispiel auch vor der westafrikanischen Küste und in der Andamanensee vor der Westküste Thailands. Auch im Bereich der Straße von Gibraltar spielten sie eine Rolle.