Rogue-Wellen in der Nordsee: Warum sie entstehen

Seit Jahrzehnten faszinieren Rogue-Wellen sowohl Menschen auf See als auch Forschende. Gemeint sind gewaltige, einzelne Wellen, die im offenen Ozean scheinbar aus dem Nichts auftauchen.

Diese schwer einzuordnenden Riesen sind nur von kurzer Dauer: Meist existieren sie weniger als eine Minute und verschwinden dann wieder. Ihre Höhe kann 20 Meter (65 Fuß) oder mehr erreichen – und damit häufig mehr als doppelt so hoch sein wie die umgebenden Wellen. Was lange als Seemannsgarn galt, wurde inzwischen weltweit beobachtet. Weil sie so hoch und energiereich sind, stellen sie eine Gefahr für Schiffe und Offshore-Bauwerke dar.

Um neu zu bewerten, was Rogue-Wellen sind und wodurch sie ausgelöst werden, habe ich ein internationales Forschungsteam zusammengestellt. Unsere Studie, veröffentlicht in Natur – Wissenschaftliche Berichte, beleuchtet diese ozeanischen Giganten anhand des bislang umfassendsten Datensatzes dieser Art.

Aus der Auswertung von 18 Jahren hochfrequenter Lasermessungen von der Ölförderplattform Ekofisk in der zentralen Nordsee ergab sich ein unerwartetes Ergebnis: Rogue-Wellen sind nicht bloss seltene Launen der Natur. Sie entstehen im Rahmen der normalen Gesetzmässigkeiten des Meeres. Sie sind nicht geheimnisvoll, sondern in gewisser Weise eher schlicht.

27.500 Seegangs-Zustände

Wir untersuchten fast 27.500 Wellenaufzeichnungen mit einer Länge von jeweils einer halben Stunde – also Seegangs-Zustände –, die zwischen 2003 und 2020 in der zentralen Nordsee erhoben wurden. Diese Datensätze wurden im 30-Minuten-Takt erfasst und beschreiben, wie stark die Meeresoberfläche im Vergleich zum mittleren Meeresspiegel angehoben war. Darin enthalten sind auch grosse Stürme, etwa das Andrea-Wellenereignis im Jahr 2007.

Unter gewöhnlichen Bedingungen entstehen Wellen, weil Wind über die Wasseroberfläche streicht. Das ähnelt dem Moment, in dem man über eine Tasse Kaffee pustet und sich kleine Kräuselungen bilden. Auf dem Meer können sich solche Kräuselungen – mit genügend Zeit und genügend Ausbreitungsraum – zu grossen Wellen entwickeln.

Im Mittelpunkt stand für uns die Frage, wodurch Wellen plötzlich „rogue“ werden und weit über ihre Nachbarwellen hinauswachsen. Eine verbreitete Erklärung stützt sich auf die modulatorische Instabilität, ein Effekt, der mit komplexen mathematischen Modellen beschrieben wird. Ich habe diese Modelle in der Vergangenheit überarbeitet, weil meine Arbeiten darauf hindeuten, dass diese Theorie nicht vollständig erklärt, wodurch Rogue-Wellen im offenen Ozean ausgelöst werden.

Werden Wellen in einem engen Kanal „eingesperrt“, beschreibt die Theorie der modulatorischen Instabilität das wellige Aufschaukeln sehr gut. Betrachtet man jedoch den realen Ozean, verliert sie an Erklärungskraft. In offenen Gebieten wie der Nordsee können sich Wellen aus mehreren Richtungen ausbreiten.

Der Unterschied lässt sich mit einem Bild verdeutlichen: Man stelle sich eine Menschenmenge vor, die nach einem Fußballspiel ein Stadion verlässt. Führt der Ausgang durch einen langen, schmalen Korridor mit hohen Wänden, sind alle gezwungen, sich in nur eine Richtung zu bewegen. Menschen von hinten drücken nach vorn; einige könnten sogar über andere hinwegsteigen, sodass sich zwischen den begrenzenden Wänden ein gefährlicher Stau aufbaut. Ein solcher katastrophaler „Menschenstapel“ entspräche einer Rogue-Welle – ausgelöst durch die Einengung.

Öffnet sich der Ausgang dagegen direkt auf ein weites Feld, können sich die Zuschauer in alle Richtungen verteilen. Es kommt nicht zum gegenseitigen Drücken, und Staus bleiben aus.

Entsprechend lassen sich Rogue-Wellen im Labor in einem begrenzten Kanal erzeugen, wo sie der modulatorischen Instabilität folgen. Ohne diese Kanaleinengung halten sich Rogue-Wellen jedoch meist nicht an genau diese Physik – und bilden sich im offenen Meer nicht auf dieselbe Weise.

Uns war daher klar, dass wir das offene Meer selbst untersuchen müssen, um den tatsächlichen Mechanismus zu verstehen. Die von meinem Team ausgewerteten Felddaten aus der Nordsee passen nicht zur modulatorischen Instabilität – sie erzählen eine andere Geschichte.

Es ist einfach ein schlechter Tag auf See

Wir werteten die Seegangs-Aufzeichnungen mit statistischen Verfahren aus, um Muster hinter diesen seltenen Extremereignissen zu finden. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die beobachteten Extremwellen eher durch einen Prozess namens konstruktive Interferenz erklären lassen – und nicht durch modulatorische Instabilität.

Konstruktive Interferenz entsteht, wenn sich zwei oder mehr Wellen so überlagern, dass sie „in Phase“ liegen und sich zu einer grösseren Welle addieren. Verstärkt wird dieser Effekt durch die natürliche Asymmetrie von Meereswellen: Ihre Kämme sind typischerweise spitzer und steiler als die vergleichsweise flachen Wellentäler.

Rogue-Wellen bilden sich dann, wenn sehr viele kleinere Wellen so zusammenlaufen, dass sich ihre steileren Kämme aufschichten und kurzzeitig eine einzige, enorme Welle entsteht, die weit über der Umgebung aufragt. Für eine ruhige Bootsfahrt, die schlagartig zu einem schlechten Tag auf See wird, reicht ein kurzer Moment, in dem sich viele gewöhnliche Wellen bündeln und „stapeln“.

Diese Rogue-Wellen bauen sich innerhalb von weniger als einer Minute auf und fallen ebenso schnell wieder zusammen. Dabei folgen sie einem sogenannten quasi-deterministischen Muster in Raum und Zeit: Es ist erkennbar und reproduzierbar, enthält aber zugleich Anteile von Zufälligkeit.

In einem idealisierten Ozean würde diese Zufälligkeit fast verschwinden, sodass Rogue-Wellen auf nahezu unendliche Höhen anwachsen könnten. Gleichzeitig müsste man aber unendlich lange warten, um eine solche Welle zu beobachten – denn dafür müssten sich extrem viele Wellen vollkommen passend ausrichten. Das wäre, als würde man Fortuna, die Göttin des Zufalls, eine Billion Würfel werfen lassen und darauf hoffen, dass fast alle dieselbe Zahl zeigen.

Im wirklichen Ozean setzt die Natur dem Wachstum von Rogue-Wellen durch Wellenbrechen Grenzen. Steigen Höhe und Energie zu stark, kann sich die Welle ab einem kritischen Punkt nicht mehr „halten“. Die Wellenkrone kippt nach vorn, bricht und wird zu Schaum beziehungsweise einer Schaumkrone; dabei wird überschüssige Energie abgeführt.

Das quasi-deterministische Muster hinter Rogue-Wellen

Rogue-Wellen sind kein rein maritimes Phänomen: Konstruktive Interferenz kann bei vielen Wellentypen auftreten. Eine allgemeine Theorie, die als Quasi-Determinismus von Wellen bekannt ist und vom Ozeanografen Paolo Boccotti entwickelt wurde, beschreibt, wie Rogue-Wellen entstehen – sowohl im Meer als auch in anderen Wellensystemen.

So kann sich bei turbulentem Wasser, das durch einen engen Kanal strömt, eine Rogue-Welle als intensiver, kurzlebiger Ausschlag in Wirbeln zeigen – also in Mustern rotierender Strömungen, die sich flussabwärts bewegen und dabei für einen Moment stark anwachsen.

Auch wenn Meereswellen unberechenbar wirken, zeigt Boccottis Theorie, dass Extremwellen nicht vollständig zufällig sind. Wenn eine besonders grosse Welle entsteht, folgen die umgebenden Wellen einem wiedererkennbaren Muster, das durch konstruktive Interferenz geprägt ist.

Wir nutzten Boccottis Theorie, um solche Muster in den gemessenen Wellenaufzeichnungen der Nordsee zu identifizieren und zu beschreiben.

Die in diesen Datensätzen beobachteten Riesenwellen tragen so etwas wie eine Signatur oder einen „Fingerabdruck“: die Form einer Wellengruppe, aus der sich ablesen lässt, wie die Rogue-Welle entstanden ist. Eine Wellengruppe kann man sich als ein kleines Paket von Wellen vorstellen, das gemeinsam wandert. Durch konstruktive Interferenz baut es sich auf, erreicht einen Höhepunkt und klingt anschliessend wieder ab. Wenn Forschende diese Wellengruppen verfolgen, erkennen sie den grösseren Zusammenhang eines Rogue-Ereignisses, während es sich entwickelt.

Ein Beispiel: Am 24. November 2023 traf ein heftiger Sturm die Nordsee. Eine Kamera auf der Ekofisk-Plattform zeichnete eine gewaltige Rogue-Welle von 17 Metern (55 Fuß) auf. Ich setzte die Theorie des Quasi-Determinismus und ein KI-Modell ein, um die Herkunft dieser Extremwelle zu untersuchen.

Meine Auswertung zeigte, dass das Rogue-Ereignis den genannten Ansätzen entsprach – Quasi-Determinismus und konstruktive Interferenz – und dadurch zustande kam, dass mehrere kleinere Wellen sich wiederholt übereinander aufbauten.

Wenn wir verstehen, wie Rogue-Wellen entstehen, können Ingenieurinnen und Ingenieure sowie Konstruktionsteams sicherere Schiffe und Offshore-Plattformen entwickeln – und Risiken besser vorhersagen.

Francesco Fedele, ausserordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen, Technologieinstitut Georgia

Dieser Artikel wurde aus Das Gespräch unter einer Creative-Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.