Gerbrand van Vledder ontstaan en gedrag van oceaangolven

Gerbrant van Vledder

THE WAVES van DOLPH KESSLER

Over ontstaan en gedrag
van oceaangolven

 

In dit fotoboek toont Dolph Kessler de rijke variatie waarin zeegolven zich kunnen manifesteren. Het is één van de vele manieren waarop we golven kunnen bekijken. De kunstenaar ziet er intrigerende patronen in, terwijl de zeevaarder meteen ziet of een golf gevaar oplevert en hoe hier rekening mee gehouden moet worden, en de wetenschapper herkent meteen hoe een bepaalde golf is ontstaan. Wij kunnen zeegolven op verschillende manieren beleven. Ook de wetenschapper kan golven mooi vinden en dan niet alleen om dat zij met elegante formules beschreven kunnen worden. In mijn werk zie ik de golven op mijn computerscherm vooral als abstracte plaatjes waarbij ik hoop dat deze de werkelijkheid goed beschrijven. Met deze foto’s laat Dolph Kessler echter de andere kant zien. Ze tonen treffend de verschillende stemmingen waarin de zee zich kan openbaren: van kalme golfjes tot een woeste zee. Het is mij daarom een genoegen om in deze inleiding op het ontstaan en gedrag van zeegolven in te gaan.

Elke foto in dit boek is een momentopname uit de eindeloze cyclus van zeegolven; van hun ontstaan door een lichte bries tot het moment dat zij met kracht op de kust uit elkaar spatten. Maar wat gebeurt er nu allemaal in het leven van een golf. Om dat uit te leggen, ga ik eerst in op de vele typen golven die op de oceaan kunnen vóórkomen. De meest voorkomende golven worden door de wind opgewekt. Zij zijn ook direct herkenbaar als golven en komen overal voor; op zee, in meren maar ook in onze sloten en vijvers. Het zijn deze windgolven die door Dolph Kessler in beeld zijn gebracht en het hoofdonderwerp van mijn inleiding zijn. Een ander type veel voorkomende golf is de getijgolf, de langzame variatie in waterstand die vaak tweemaal daags voorkomt. Dit golfverschijnsel wordt opgewekt door het samenspel van de bewegingen van de aarde, maan en zon. Het optreden van een getijgolf is niet overal direct zichtbaar, alleen op plaatsen waar de getijstroom zich door nauwe zeeengtes moet persen, merken we kracht die hier achter zit. Incidenteel wordt het wateroppervlak verstoord door een tsunami. Deze worden meestal opgewekt door plotselinge verschuivingen van de zeebodem, vaak veroorzaakt door aardbevingen of door ontploffende vulkanen. Op diep water is nog weinig te merken van het passeren van zo’n golf. Zodra deze in ondieper water komt, kan de golf zich verheffen tot tientallen meters om daarna met donderend geweld de kust te verpletteren.

Om meer inzicht te krijgen in het verhaal achter elke golf zal ik het leven van een door de wind opgewekte golf nader beschrijven. Eigenlijk kunnen we niet spreken over het leven van één golf. Het is beter om de levensfase van een golf in termen van een verzameling golven te beschrijven. Voor een goed begrip zal ik daarom een aantal begrippen ïntroduceren om zo ook meer complexere golfsituaties te kunnen duiden. Pretor-Pinney (2010) schreef een beeldend boek over allerlei golfverschijnselen die ons in het dagelijks leven omringen, waaronder windgolven. In navolging van deze auteur onderscheiden we vijf fasen in de levenscyclus van windgolven. Niet dat er een strikte scheiding is, maar voor het verhaal is dat wel duidelijker, want in werkelijkheid gaan de verschillende fases geleidelijk in elkaar over.

In de eerste fase is een lichte bries voldoende om de eerste verstoringen van het wateroppervlak te geven. Vaak zijn dit diamant-achtige patronen die snel over het wateroppervlak schieten. Zodra de wind wegvalt, verdwijnen deze golfjes door de dempende werking van de oppervlaktespanning. Zeilers herkennen deze kleine verstoringen als de voorbode van een windvlaag en kunnen zo anticiperen om snel op te loeven. Deze golfjes worden niet groot, hooguit enkele centimeters. Omdat het vrijwel overal op de oceaan wel ergens waait, is er overal wel ergens het begin van golfgroei aanwezig.

Zodra de wind sterker wordt, belanden we in de tweede fase van de golfgroei. Kleine onzichtbare wervels in de lucht zorgen voor afwisselende drukverhogingen en verlagingen waardoor de golven worden opgestuwd en zo langzaam kunnen groeien. Ze zijn nu zo groot geworden dat zij niet meer door de oppervlaktespanning in het gareel worden gehouden. Het golfveld begint er nu uit te zien als een chaotisch tafereel van golven die kriskras door elkaar lopen. Het golfveld bestaat uit een ogenschijnlijk bonte verzameling golven. Een enkele golf kunnen we zien als op en neergaande beweging van het wateroppervlak, waarbij het laagste punt het golfdal is en het hoogste punt de golftop. We kunnen nu elke golf die voorbij komt een aantal kenmerken toekennen, zoals hun hoogte (de verticale afstand tussen een opeenvolgende top en dal), hun lengte (de afstand tussen opeenvolgende golftoppen), hun periode (de tijd tussen opeenvolgende golftoppen) en de richting waarheen ze lopen. Op de oceaan zijn de golfperiode en de golflengte aan elkaar gekoppeld; hierbij neemt de golflengte kwadratisch toe in verhouding met de golfperiode.

Het heeft lang geduurd voordat onderzoekers konden doorgronden hoe zo’n golfveld in elkaar steekt. Gelukkig blijkt er achter de ogenschijnlijke wanorde toch een onderliggende structuur te bestaan. Hiervoor bekijken we voor de eenvoud een situatie waarbij de wind uit één richting waait. Een eerste stap is dan door te tellen uit welke richtingen de golven komen in vergelijking met de windrichting. We zien dan dat de meeste golven min of meer in de richting van de wind lopen, terwijl de andere golven steeds schuiner ten opzichte van de wind lopen en daarbij steeds kleiner worden. Deze verdeling over richtingen noemen we richtingsspreiding. Dit is een maat die veel mensen gevoelsmatig herkennen in een stormachtige zee of in een deining waar de golven uit één richting lijken te komen.

Een tweede manier om golven te tellen is door op een vaste locatie de op en neergaande beweging van het wateroppervlak te beschouwen. We zien dan een op en neergaande beweging ten opzichte van een gemiddeld niveau. Elke keer als dit niveau in opwaartse richting doorkruist wordt, begint een nieuwe golf waarvan we de hoogte en periode kunnen vaststellen. De golfhoogte is dan het verschil tussen de hoogste en laagste waterstand en de golfperiode is de tijd tussen twee opeenvolgende doorkruisingen van dit niveau. Nu blijken de de golfhoogte en golfperiode redelijk met elkaar op te trekken. Als de gemiddelde golfhoogte toeneemt, dan neemt ook die van de periode toe, terwijl de golfhoogte weer afneemt bij lagere en hogere golfperiodes. Ondanks de ruime variatie aan golfhoogten kunnen veel mensen daar gevoelsmatig toch één waarde aan toekennen die we aanduiden als “significante golfhoogte”. Een ander kenmerk van een golfveld is hun steilheid; de verhouding van de golfhoogte over de golflengte. Een groeiend golfveld heeft relatief steile golven terwijl deininggolven een lage steilheid hebben.

Bij toenemende wind zullen de golven een ander karakter aannemen en zo belanden we in de derde fase. Er ontstaan schuimkoppen op de golven en het golfveld krijgt een woester uiterlijk. In hele sterke stormwind zullen de dalen tussen de golven vol raken met zeeschuim en druppels en wordt het lastig om golven goed te herkennen. In deze schuimkoppen breken de golven en verliezen zo een deel van hun energie. Als de wind niet verder toeneemt zal er uiteindelijk een evenwicht ontstaan tussen de groei van de golven door wind en afname door brekende golven. Onder dit soort omstandigheden lopen de golven nog steeds door elkaar, maar desalniettemin óók met een onderlinge orde veroorzaakt door allerlei fysische processen. Eén van die processen bestaat uit wisselwerkingen tussen verschillende golven. Zij wisselen dan onderling energie uit waardoor er een bepaalde verdeling van golfenergie tussen korte en lange golven ontstaat. Nu is het bijzondere van watergolven dat de snelheid waarmee zo’n golf zich over de oceaan voortplant afhankelijk is van de golflengte. Hoe langer de golf hoe sneller deze loopt.

Als de wind wegvalt, zal het golfveld weer van karakter veranderen om zo in de vierde fase te komen. Dit is een rustige fase. De wind voegt geen energie meer toe aan de golven en de schuimkoppen zullen snel verdwijnen. Alle verschillende golven zullen nu als deining hun eigen weg gaan volgen. Voor oceanografen zijn dat golven die niet (meer) onder de invloed van de wind staan. Zoals al eerder genoemd is hun loopsnelheid afhankelijk van hun golflengte; de langere golven lopen sneller dan de korte. Ook lopen de golven nog steeds in verschillende richtingen. Vanaf dit moment wordt het golfveld langzaam uit elkaar getrokken. Het chaotische karakter verdwijnt en het golfbeeld wordt steeds gelijkmatiger. Omdat het golfveld zich over de zee verspreidt zullen de golven ook lager worden. Golven met dezelfde loopsnelheid en richting blijven dan uiteindelijk bij elkaar. Zulke regelmatige golven worden door de meeste mensen als deining ervaren. Deiningsgolven kunnen gigantische afstanden afleggen omdat zij geen energie verliezen door breking.  In de jaren 60 van de vorige eeuw ontdekte men dat deininggolven die bij Alaska waren waargenomen, bijna 2 weken daarvoor waren opgewekt in een storm bij Antarctica. Dat is een afstand van bijna 14,000 km. Dit geeft ook aan dat deininggolven niets te maken hebben met de lokale weersomstandigheden. Deze bijzondere eigenschap van deining werd vroeger, toen er nog geen GPS bestond, door zeevaarders van de Marshall eilanden zelfs gebruikt voor navigatiedoeleinden. Omdat deze eilanden halverwege de Stille Oceaan liggen, komen hier deiningsgolven voor die zowel uit veraf gelegen zuidelijke als noordelijk stormzones komen. In juni 2015 heb ik deel genomen aan een internationale wetenschappelijke expeditie om deze oude kunst van het golven lezen te onderzoeken. Daarbij heb ik mogen ervaren hoe het is om midden op de oceaan de langzame op en neergaande beweging van deininggolven te voelen.

Ook golven hebben een eindig leven. Op enig moment zullen de golven bij de kust aankomen. Eerst worden ze geremd en afgezwakt door ondieptes om vervolgens op de Atlantische kusten te breken. Vooral bij stormweer is het geweldig om te zien hoe huizenhoge golven op de kust uit elkaar spatten. Zo ervaart men de kracht van golven. Ook bij langzaam oplopende bodems, zoals bij Nazaré in Portugal, kunnen bij rustig weer deze deininggolven worden opgestuwd tot geweldige brekers. Maar ook op open zee kunnen golven die op verschillende plaatsen zijn ontstaan bij elkaar komen en zo in een grote fontein uit elkaar spatten. Dit is goed zichtbaar in een aantal foto’s in dit boek, zoals die op blz. 46.

In bovenstaand overzicht heb ik een uitleg gegeven over de levensloop van door de wind opgewekte golven. We kunnen het probleem ook omdraaien. Wat leert een golfveld ons over de wind. Ruim twee honderd jaar geleden werd dit probleem door Francis Beaufort onderzocht. Op basis van de uiterlijke kenmerken van het zeeoppervlak kwam hij tot een schaal die loopt van 1 (kleine rimpels) tot de haast onmogelijk, zeker vanaf een schip op zee, waar te nemen schaal 12 (superstorm). In de vorige eeuw werd de door Beaufort ontwikkelde methode verder verfijnd en gebruikt om op een systematische manier de golven op zee in kaart te brengen. Omdat er duizenden schepen over alle wereldzeëen varen, kon men een atlas samenstellen van het golfklimaat. Zo’n klimaat geeft een statistische beschrijving van de te verwachten golfomstandigheden. In één oogopslag waren zo gevaarlijke gebieden te herkennen. Met de komst van computermodellen voor de voorspelling van golven raakte deze methode langzaam in de verdrukking.

Deze computermodellen maken gebruik van voorspellingen van de wind aan de oppervlakte van de zee. Net als bij de  alom bekende weersvoorspellingen, kunnen we dus ook voorspellingen maken van de golven. Het voorspellen van te verwachten golfcondities nam een grote vlucht in de Tweede Wereldoorlog toen men betrouwbare informatie nodig had om veilig op kusten te kunnen landen. Dat was toen nog handwerk en het kostte veel tijd en moeite om tot een bruikbare voorspelling te komen. Met het voorschrijdend inzicht in het onstaan en gedrag van golven en met de komst van computers is het tegenwoordig behoorlijk eenvoudig om een golfvoorspelling te maken. Tegenwoordig zijn er werelddekkende modellen die vrij nauwkeurig tot een week vooruit voorspellingen geven zodat schepen daarop kunnen anticiperen door zo gevaarlijke te verwachte golfvelden te ontwijken.

Desondanks kennen deze modellen ook hun beperkingen. Zo zijn ze nog niet in staat om monstergolven te voorspellen. Zulke golven worden ook wel ‘freak waves’ genoemd, omdat zij totaal onverwacht als een steile muur van water oprijzen. Zulke golven werden door wetenschappers eerst afgedaan als sterke verhalen. Uiteindelijk toonden betrouwbare metingen op olieplatforms aan dat zulke golven wel degelijk bestaan en dat zij een bijzondere vorm aannemen. Vaak wordt zo’n golf vooraf gegaan door een diep dal gevolgd door een steile muur van water waardoor schepen kunnen kapseizen of in stukken breken. Waarschijnlijk vergaan zo jaarlijks tientallen schepen zonder dat zij een noodsignaal hebben kunnen uitzenden. Onze kennis naar de kans van vóórkomen van monstergolven neemt gelukkig wel toe, waardoor we het risico op zo’n golf nu ook meenemen in onze golfvoorspellingen.

In de poolgebieden wordt de zee begrensd door ijsvelden. Aan de randen van het zeeijs knagen de golven continue aan het ijs. De golvende beweging van het water zet zich voort in de ijsvelden waardoor deze langzaam in stukken breken. Als de wind naar het ijs toe is gericht, blijven deze brokstukken dicht tegen elkaar aan zitten, terwijl bij aflandige wind de zee bezaaid raakt met stukken ijs. Dat ijs dempt dan weer de golven zodat het varen door zo’n gebied tot een verstilde ervaring leidt. In de polaire regio’s van de Atlantische Oceaan, nabij Groenland of Antartica, kan de zee bezaaid raken met ijsbergen waarvan het grootste stuk onder water steekt. Deze gigantische ijsklompen drijven majestueus met de stroom mee terwijl zij langzaam smelten en door brekende golven langzaam afbrokkelen en grillige structuren aannemen. Ondanks de pracht van ijsbergen moeten zeevaarders op hun hoede blijven voor de stille gevaren van ijsbergen.

Hierboven heb ik een overzicht gegeven van de veelheid aan golfverschijnselen op zee en hoe zij door zeevaarders ervaren kunnen worden. Alhoewel de foto’s die Dolph Kessler van de Atlantische Oceaan gemaakt heeft nooit bedoeld zijn geweest om in wetenschappelijke zin het gedrag van golven te duiden, vind ik het fascinerend om deze foto’s te bekijken. In de stilistische rijkdom aan golven in dit boek zijn namelijk veel van de door mij beschreven golfverschijnselen terug te zien.

 

Gerbrant van Vledder
Olst, oktober 2016
Pretor-Pinney, G., 2010: The Wavewatcher’s Companion