E4 Meereswellen Oberfläche

Thema

Meeresoberflächenwellen sind Störungen an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft, wo die Schwerkraft als rücktreibende Kraft wirkt. In tiefem Wasser, wo die Tiefe etwa ein Viertel der Wellenlänge übersteigt, hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit jeder Welle ausschließlich von ihrer Wellenlänge und nicht von der Wassertiefe ab: Lange Wellen breiten sich schneller aus als kurze – ein Phänomen, das als Dispersion bekannt ist. In flachem Wasser, wo die Tiefe deutlich geringer als die Wellenlänge ist, ist es umgekehrt: Alle Wellen, ob lang oder kurz, breiten sich mit exakt derselben Geschwindigkeit aus, die ausschließlich von der Wassertiefe abhängt und mit der Quadratwurzel dieser Tiefe zunimmt. Diese Gleichheit der Geschwindigkeiten bewirkt, dass sich Wellen in flachem Wasser nicht voneinander abspalten. Wind erzeugt Meereswellen, und während dieser Entstehung entwickeln sich diese Wellen zu einem Spektrum von Frequenzen und Richtungen, das je nach Fortschritt der Wellenerzeugung zwei typische Formen annehmen kann. Das Spektrum eines Meeres, in dem der Wind noch aktiv Wellen erzeugt, weist ein Energiemaximum bei einer klar definierten Spitzenfrequenz auf, mit einem maximalen Verstärkungsfaktor, der etwa 3,3-mal so hoch ist wie der eines voll entwickelten Meeres. Das bedeutet, dass die Energie in diesem Spektrum viel stärker um diese Spitzenfrequenz konzentriert ist als in einem voll entwickelten Meer. Das Pierson-Moskowitz-Spektrum hingegen beschreibt präzise ein voll entwickeltes Meer, in dem der Wind den Wellen keine Energie mehr zuführt und sein maximaler Verstärkungsfaktor genau eins beträgt. Die signifikante Wellenhöhe quantifiziert die durchschnittliche Amplitude des höchsten Drittels aller Wellen, aus denen sich das Spektrum zusammensetzt, und steht in direktem Zusammenhang mit der Varianz dieses Spektrums: Je mehr Energie das Wellenspektrum enthält, desto größer ist seine Varianz und folglich desto größer ist die signifikante Wellenhöhe, die das Spektrum erzeugt. Daher genügt die Kenntnis der Varianz des Spektrums, um vorherzusagen, wie hoch die größten Wellen im Meer im Durchschnitt sind.

Wenn die Amplitude einer bestimmten Welle etwa ein Siebtel ihrer Wellenlänge überschreitet – ein Schwellenwert, der als Stokes-Kriterium bekannt ist –, bricht diese Welle und bildet weißen Schaum an der Oberfläche. Das Brechen dieser Wellen ist die Hauptquelle der Energiedissipation im gesamten Wellenspektrum. Durch dieses Brechen wird Impuls und gelöste Gase an den darunterliegenden Ozean abgegeben.

Neben der Energiedissipation beim Brechen erzeugen Wellen auch Stokes-Strömungen: einen Nettostrom von Wassermasse in Ausbreitungsrichtung der Welle. Dieser entsteht, weil das Wasser im Wellenkamm anders transportiert wird als im Wellental. Diese Stokes-Strömungen transportieren treibende Bojen und im Wasser schwebende Schadstoffe an der Oberfläche. Innerhalb des Wellenspektrums selbst führen nichtlineare Wechselwirkungen zwischen den Wellen zu einer ständigen Umverteilung der Energie von einer Frequenz zur anderen. Dadurch reorganisiert sich das Wellenspektrum auch lange nach dem Abklingen des Windes fortwährend.

Das erwartete Verhalten ist, dass sich die Wellen, weit entfernt von ihrem Entstehungsort, als zunehmend geordnete Dünung ausbreiten. Genau diese eingangs beschriebene Dispersion führt dazu, dass sich diese Dünung auf ihrem Weg über Tausende von Kilometern schließlich nach Frequenz aufspaltet: Die längeren, schnelleren Wellen erreichen zuerst eine ferne Küste, die kürzeren hingegen viel später. Von der Dispersion, die tiefe von flachen Gewässern unterscheidet, bis hin zur Frequenztrennung, die eine Dünung nach Tausenden von Kilometern erfährt, tragen Meeresoberflächenwellen in der Struktur ihres Spektrums die gesamte Geschichte des sie erzeugenden Windes und des durchquerten Ozeans in sich.

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