Gerbrant van Vledder Lebenszyklus der Ozeanwellen

Gerbrant van Vledder

DAS BUCH DER WELLEN
DURCH DOLPH KESSLER

Einige Grundbegriffe über den Ursprung
Und Lebenszyklus der Ozeanwellen

 

Dieses Buch von Dolph Kessler zeigt schön die Vielfalt, in der sich Ozeanwellen manifestieren können. Es ist ein Beispiel für viele Möglichkeiten, Wellen zu betrachten; Der Künstler sieht faszinierende Muster, während der Seefahrer sofort ihre Gefahren erkennt und wie man mit ihnen fertig wird und der Ozeanograph über den Ursprung jeder Welle spekuliert. Dies zeigt, wie Wellen aus unterschiedlichen Perspektiven betrachtet werden können. Als Wissenschaftler kann ich die Schönheit der Wellen nicht nur in diesen Fotos genießen, sondern auch durch die Einschätzung der Eleganz der mathematischen Gleichungen, die ihr Verhalten beschreiben. In meiner Arbeit sehe ich in der Regel abstrakte Bilder auf meinem Computerbildschirm und hoffe, dass sie die Realität richtig darstellen. Doch in diesem Buch der Fotografien, die auf dem Atlantischen Ozean genommen werden, zeigt Dolph Kessler einen anderen Aspekt der Wellen. Seine Fotos zeigen die verschiedenen Stimmungen der Ozeanwellen: von sanften Wavelets bis hin zu einer wütenden Wassermasse. Es ist mir also ein großes Vergnügen, dem Leser einige Grundbegriffe über den Ursprung und den Lebenszyklus der Ozeanwellen vorzustellen.

Aus dem endlosen Zyklus der Ozeanwellen stellt jedes Bild einen Moment der Zeit dar, von ihrem Ursprung in einer sanften Brise bis zu dem Moment, in dem sie kraftvoll an die Küste brechen. Dies führt uns automatisch dazu, zu fragen, was in den Zwischenphasen passiert. Bevor ich dies erkläre, werde ich zuerst die verschiedenen Arten von Wellen vorstellen, die auf dem Ozean auftreten. Die häufigsten Wellen sind die, die durch die Wirkung des Windes erzeugt werden. Jeder erkennt sie sofort als Wasserwellen, und sie materialisieren überall, auf dem Ozean, Seen, aber auch in unseren Gräben und Teichen. Es ist wichtig zu betonen, dass diese von Dolph Kessler aufgenommenen Wellenbilder im Mittelpunkt meiner Einführung stehen. Eine andere gemeinsame Art von Wellen sind die Gezeiten, erkennbar an der zweimal täglich täglichen Variation der Wasserstände. Dieses Wellenphänomen wird vor allem durch das gravitative Wechselspiel von Erde, Mond und Sonne erzeugt. Gezeitenwellen zeigen sich in der Küstenregion, wo sich die Begleitströme durch enge Meerenzen erzwingen müssen. Von Zeit zu Zeit wird die Meeresoberfläche durch einen Tsunami gestört, der durch eine plötzliche Bewegung des Meeresbodens verursacht wird. Dies wiederum wird durch starke Erdbeben oder explodierende Vulkane verursacht. Im tiefen Wasser sind solche Wellen kaum sichtbar, aber in den flachen Küstengebieten können sie in der Größe zu hoch aufragenden Höhen, die alles auf ihrem Weg zerstören, vergrößern.

Um dem Leser zu erlauben, die Geschichte hinter jedem Foto besser zu verstehen, werde ich den Lebenszyklus der Windwellen beschreiben. Das wird sich nicht auf eine einzige Welle beschränken, sondern auf eine Sammlung von Wellen, wie sie wachsen und sich über den Ozean ausbreiten, bis sie endlich brechen. Ich werde auch eine Reihe von Konzepten vorstellen, um die Definition komplexerer Situationen zu ermöglichen. Pretor-Pinney schrieb ein beleuchtendes Buch über die verschiedenen Arten von Wellenphänomenen, denen wir in unserem täglichen Leben begegnen, einschließlich windgenerierten Wellen. Für diese Einleitung werde ich auf seine Unterscheidung der fünf Phasen im Lebenszyklus von Windwellen zurückgreifen, die allmählich von einer Phase zur nächsten übergehen. In der ersten Phase reicht eine leichte Brise aus, um kleine Störungen in der Wasseroberfläche zu erzeugen. Sie erscheinen oft als Diamantmuster, die sich schnell über die Wasseroberfläche kreuzen. Sobald der Wind sinkt, verschwinden diese Wellungen wegen der Dämpfungseffekte der Oberflächenspannung schnell. Die Seemänner sehen in diesen kleinen Störungen einen nahenden Windschlag, der ihnen erlaubt, das Segel zu verschärfen. Diese ersten Wellen erreichen nur Höhen von wenigen Zentimetern, aber sie existieren überall auf dem Ozean als völlig ruhiges Wetter ist selten.

Wenn der Wind stärker wird, kommen wir in die zweite Phase des Windwellenwachstums. Kleine unsichtbare Wirbel in der Luft erzeugen wechselnde Druckschwankungen, die gegen die kleinen Wellen drängen, so dass sie langsam wachsen. Jetzt sind sie so groß geworden, dass sie nicht mehr durch die Oberflächenspannung gedämpft werden können. Die Meeresoberfläche sieht jetzt wie eine chaotische Wellensammlung aus. Jede einzelne Welle kann als eine wellenförmige Bewegung der Wasseroberfläche mit dem höchsten Punkt genannt Wellenwappen und dem tiefsten Punkt der Wellenrinne gesehen werden. Jeder Welle können nun einige Merkmale, wie ihre Höhe (der vertikale Abstand zwischen dem Kamm und der Mulde), ihre Länge (der horizontale Abstand zwischen den nachfolgenden Kämmen), ihre Wellenperiode (die Zeit, die es nimmt Wellenwappen, um eine bestimmte übergeben zugeschrieben werden Punkt) und die Richtung, in der sie sich ausbreiten. Im Allgemeinen steigen die Wellenhöhen mit zunehmenden Wellenperioden, und ihre Wellenlängen sind proportional zum Quadrat ihrer Periode.

Es dauerte lange, bis die Ozeanographen die Struktur eines Wellenfeldes auflösten. Glücklicherweise gibt es trotz des scheinbaren Chaos eine zugrunde liegende Struktur. Zur Vereinfachung werden wir die Situation betrachten, in der der Wind aus einer einzigen Richtung weht. Der erste Schritt zählt nur, wie oft Wellen aus einer bestimmten Richtung in Bezug auf die Windrichtung kommen. Wir sehen dann, dass die meisten Wellen in etwa die gleiche Richtung wie der Wind reisen und dass die Anzahl der Wellen mit zunehmendem Winkel zur Windrichtung abnimmt. Diese Verteilung über Richtungen heißt Richtungsausbreitung. Windmeere sind meist verbreitet als normale Wellen, die aus nur einer Richtung kommen.

Ein zweiter Weg, um Wellen zu zählen, ist, die Auf- und Abbewegung der Wasseroberfläche an einer festen Stelle in Bezug auf ein Durchschnittsniveau zu betrachten. Jedes Mal, wenn die wellenförmigen Wasserflächen dieses Niveau überschreiten, beginnt eine neue Welle, von der aus wir ihre Höhe und Periode bestimmen können. Die Wellenhöhe folgt dann als Differenz zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Wasserstand und die Wellenperiode ist die Zeit zwischen zwei Kreuzungen dieses mittleren Wasserspiegels. Beobachtungen zeigen, dass in stürmischen Meeren eine Zunahme der mittleren Wellenhöhe von einer Zunahme der Wellenperiode begleitet wird, während bei den Quellbedingungen die Wellenhöhe mit zunehmender Wellenperiode abnimmt. Trotz der breiten Palette von Wellenhöhen sind viele Menschen in der Lage, eine charakteristische Wellenhöhe einer solchen Wellensammlung zuzuordnen, die oft als „signifikante Wellenhöhe“ bezeichnet wird. Eine andere Eigenschaft der Wellen ist ihre Steilheit, das Verhältnis der Wellenhöhe über Wellenlänge. Ein wachsendes Wellenfeld ist steiler als ein Schwellenwellenfeld.

Mit zunehmender Windgeschwindigkeit verändern die Wellen wieder den Charakter und so betreten wir die dritte Phase im Lebenszyklus der Windwellen. Das Meer wird rauer und weiße Kappen erscheinen. Diese Whitecaps deuten auf brechende Bedingungen hin, wo einige Wellen einen Teil ihrer Energie verlieren. Bei Sturmbedingungen werden die Mulden zwischen den Wellen allmählich mit Schaum und Tröpfchen aufgefüllt, was es schwierig macht, einzelne Wellen zu unterscheiden. Bei konstanten Windverhältnissen werden die Wellen zu einer Gleichgewichtssituation wachsen, in der das Wachstum durch Wind und Dissipation durch das Brechen der Balance In dieser Situation erscheint die Wellenoberfläche immer noch chaotisch, aber wieder existiert eine gewisse zugrunde liegende Ordnung, die mit verschiedenen physikalischen Prozessen verbunden ist. Eines dieser Prozesse besteht aus Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Wellenkomponenten, die ein Wellenfeld bilden. Diese Wechselwirkungen tauschen Energie aus, so dass eine gewisse Verteilung von Wellen mit unterschiedlichen Perioden, Längen und Richtungen auftritt.

Wenn der Wind fällt, ändert sich das Wellenfeld wieder und wir treten in die vierte Phase ein. Der Wind transportiert keine Energie mehr auf die Wellen und die Whitecaps verschwinden schnell. Jetzt sind die Wellen nicht mehr unter dem Einfluss von Wind und Ozeanographen nennen solche Wellen Wellen an Wellen. Jetzt erscheint eine weitere interessante Eigenschaft der Ozeanwellen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle ist proportional zu ihrer Wellenperiode. Dies bedeutet, dass sich längere Periodenwellen schneller über die Meeresoberfläche bewegen als kürzere Wellen mit kleineren Wellenperioden. Der Effekt ist, dass das Wellenfeld allmählich in Gruppen von Wellen zerlegt wird, die sich in derselben Richtung mit derselben Geschwindigkeit ausbreiten. Als die Wellen über die Ozeanoberfläche verteilen, werden sie regelmäßiger mit Zeit und Raum erscheinen. Solche regelmäßigen Wellen werden als Quellwellen erlebt. In den sechziger Jahren entdeckte man, dass sich Schwellenwellen über enorme Distanzen verbreiten konnten, da sie kaum Energie verlieren, indem sie brechen. In einem berühmten Experiment wurde festgestellt, dass Schwellenwellen, die sich den Küsten von Alaska nähern, 10 Tage früher in einem schweren Sturm in der Nähe der Antarktis erzeugt wurden. Das ist ein Abstand von mehr als 14.000 km! Dies veranschaulicht weiter, dass sich die Wellen der Wellen unabhängig von den lokalen Wetterbedingungen verhalten, wo sie gemessen werden. Diese einzigartige Eigenschaft von Wellenwellen wurde für Hunderte von Jahren von den Seeleuten der Marshall-Inseln ausgenutzt, um die Navigation zwischen ihren entfernten Inseln zu unterstützen, lange vor der Zeit eines GPS-Geräts. Da diese Inseln etwa in der Mitte des Pazifischen Ozeans liegen, begegnen sie einem ziemlich konstanten Zustrom von Schwellen, die in den nördlichen und südlichen Sturmzonen des Pazifischen Ozeans entstehen. Im Juni 2015 nahm ich an einer wissenschaftlichen Expedition zu den Marshall-Inseln teil, um diese alte Kunst des Lesens der Wellen für Navigationszwecke zu studieren. Es war besonders, die wellenförmige Bewegung des Ozeans schwellen in der Mitte des Ozeans zu erleben und sich auf die Handwerkskunst des Navigators zu verlassen, um uns sicher auf die nächste Insel zu bringen.

Sogar Wellen haben ein endliches Leben. In einem gewissen Augenblick werden sie die Küste treffen. Bevor sie die Küste erreichen, werden sie jedoch verlangsamt und von Untiefen geschwächt, nur an den Atlantikküsten zu brechen. Besonders bei stürmischem Wetter ist es wunderbar zu sehen, wie diese hoch aufragenden Wellen in enormen Spritzern explodieren. Auf diese Weise kann man die Kraft der Wellen spüren. Auch bei ruhigem Wetter und in Gebieten mit leicht abfallenden Böden, wie es in der Nähe von Nazaré in Portugal der Fall ist, können Schwellenwellen zu gigantischen Brechern steigen. Aber auch im offenen Ozean können Wellen aus verschiedenen Richtungen in plötzlichen Wasserbrüchen kollidieren. Dies ist gut illustriert in einer Reihe von Fotos in diesem Buch, wie die auf Seite 46.

In der obigen Zusammenfassung gab ich eine Beschreibung des faszinierenden Lebenszyklus von Wind erzeugten Ozeanwellen. Interessanterweise können wir das Problem auch umkehren. Was sagen uns die Wellen über den Wind? Es ist schon vor mehr als 200 Jahren, dass Francis Beaufort diese Frage angesprochen hat. Er war auf der Suche nach einer Methode, um den Zustand des Wetters systematisch von Schiffen zu protokollieren. Auf der Grundlage der sichtbaren Eigenschaften der Meeresoberfläche konnte er eine objektive Skala von 1 (kleine Wellen) bis zu fast unmöglich-Maß-Maßstab 12 (Hurrikan-Kraft) ableiten. Da es Tausende von Schiffen gab, die auf dem Ozean navigierten, konnte er einen weltweiten Klimaatlas von Wind- und Wellenbedingungen ableiten. Ein solcher Atlas gibt eine statistische Beschreibung der Wetterbedingungen, die an einem bestimmten Tag erwartet werden können. Es wurde bald als unentbehrlich für die Planung sicherer Reisen erkannt. Mit der Ankunft der computergestützten Prognosetechniken wurden diese Atlanten bald veraltet.

Diese Computermodelle nutzen den prognostizierten Wind auf dem Ozean und übersetzen diese Informationen in eine Vorhersage der erwarteten Wellenbedingungen, ähnlich wie bei bekannten Wettervorhersagen. Die Kunst, die Wellenbedingungen vorherzusagen, machte einen deutlichen Sprung im Zweiten Weltkrieg, als es ein starkes Bedürfnis nach zuverlässigen Wellenprognosen für sichere amphibische Landungen gab. Zu dieser Zeit erforderte eine solche Vorhersage eine Menge langwieriger und komplizierter Handarbeit. Mit zunehmendem Wissen über die Erzeugung und das Verhalten von windgenerierten Wellen und mit der Entwicklung von Computertechniken ist es heutzutage relativ einfach, eine sinnvolle Vorhersage zu machen. Wellenvorhersagemodelle decken nun den ganzen Globus ab und sind in der Lage, zuverlässige Prognosen für eine Woche zu kommen. Dies ermöglicht es den Seeleuten, ihre Route zu optimieren und gefährliche Sturmsysteme zu vermeiden.

Trotz dieses Fortschritts haben Vorhersagen immer noch ihre Grenzen. Ein Beispiel umfasst die Unfähigkeit, Freakwellen vorherzusagen. Solche Wellen steigen unerwartet von der Meeresoberfläche als steile Wand des Wassers. Die ersten Geschichten über solche Wellen wurden von den Wissenschaftlern mit Skepsis erfüllt. Nur wenn zuverlässige Wellenmessungen aus Offshore-Plattformen die Existenz solcher Wellen bestätigten, wurde dieses Thema von Forschern ernsthaft untersucht. Es ist wahrscheinlich, dass Freakwellen die Ursache für das plötzliche Verschwinden von Dutzenden von Schiffen auf den Ozeanen der Welt sind. Glücklicherweise wurden enorme Fortschritte gemacht, um die Wahrscheinlichkeit für eine solche Freakwelle in einem bestimmten Bereich und Zeitrahmen vorherzusagen.

In arktischen Gebieten ist der Ozean von Eisfeldern umgeben. Die Kanten dieser Eisfelder werden ständig durch Wellen angegriffen. Die Wellenbewegung breitet sich in das Eis allmählich brechen das Eis in kleinere Stücke. Wenn der Wind auf das Eis weht, haften die Eisschollen zusammen in eine kompakte Zone, während bei seewärtsen Winden die Meeresoberfläche mit Tausenden von kleinen Eispaketen übersät ist. Dieses treibende Eis dämpft die Wellenbewegung, die zu der Erfahrung des ruhigen Wassers führt, für jeden, der durch solch einen Bereich segelt. In den Polargebieten des Atlantischen Ozeans, Grönlands und der Antarktis kalben Eisberge von Gletschern, die ins Meer führen. Diese majestätischen Eisberge können sehr gefährlich sein, da die meisten ihres Volumens unter Wasser sind. Die großen Buckel des Eises treiben langsam mit den Ozeanströmungen, während Wellen an ihnen knabbern, wodurch diese Eisberge wild wechselnde Formen hervorbringen. Trotz der Schönheit der Eisberge, sollten die Seeleute sehr vorsichtig sein, wenn sie in der Nähe von ihnen wagen.

In der obigen Zusammenfassung stellte ich die Vielzahl der Wellenphänomene auf dem Ozean vor und wie sie von Seeleuten erlebt werden können. Obwohl es noch nie Dolph Kesslers Absicht war, die Wissenschaft der Wellen zu interpretieren, die komplizierten Details und der stilistische Reichtum dieser Wellenfotos faszinieren mich weiter.
Gerbrant van Vledder
Olst, Oktober 2016