Seegang verstehen – Arten, Eigenschaften und Formen von Wellen

Arten und Formen von Wellen und Seegang

Wasser ist tausend Mal dichter als Luft, hat somit in Bewegung eine deutlich größere Kraft als Wind. Welle und Seegang dürfen nie unterschätzt werden. Wind ist die Ursache, Seegang die Wirkung, daher folgt in einer Seewettervorhersage der Windprognose die zu erwartende Wellenhöhe gleich an nächster Stelle. Es handelt sich hierbei in der Regel um die »signifikante Wellenhöhe«, das vollständige und wahre Wellenbild ist meist um zehn bis dreißig Prozent höher.

Um sich das gesamte Wellenbild ausmalen zu können, braucht es mehr Seegangsinformation als nur die Wellenhöhe. Wie das Wellenbild letztendlich auf dem Wasser aussieht, hängt von diesen möglichen Wellenanteilen ab:

• Windsee
• Erste Dünung
• Zweite Dünung
• Grundsee
• Kreuzsee
• Strömung
• Freak-Waves

Alle diese Anteile können jeweils allein oder zusammen vorkommen, oftmals überlagern sich mindestens zwei dieser Beiträge.

Windsee

Wenn Luft über die Meeresoberfläche streicht, überträgt sie ihre Bewegungsenergie auf die oberste Wasserschicht. Hierdurch wird eine Drehbewegung der Wasserteilchen ausgelöst, aus der kleine Wellen entstehen. Je größer der Energieeintrag, je mehr Wind bläst, desto größer sind die Drehbewegungen, desto höher die Wellen. Dieses durch das lokale Windsystem entstehende Wellenbild heißt „Windsee“. Nimmt die Wellenhöhe zu, werden die Wellen länger, das heißt, auch die Wellenlänge nimmt zu.

Da das Wasser sehr viel schwerer und somit träger als die Luft ist, muss der Wind mehrere Stunden wehen, um die maximal mögliche Wellenhöhe anzufachen. Je stärker der Wind, desto länger muss er wirken, um die Wellen zur größtmöglichen Höhe anwachsen zu lassen. Ab einer gewissen Zeit stellt sich dann aber ein Gleichgewicht ein und die Wellen werden nicht mehr höher (ausgereifter Seegang). Die Windsee ist von Natur aus ungleichmäßig. Jede Welle ist anders, unterschiedlich hoch, unterschiedlich steil. Gekennzeichnet ist sie außerdem durch spitze Wellenkämme.

Die Windsee spiegelt das wider, was der Wind aktuell an Wellen entstehen lässt, sie ist also ein direktes Abbild der Windbedingungen vor Ort. Ob Motorbootfahrer, Paddler, Surfer oder Segler – sie alle sind der Windsee ausgesetzt, die umso höher ausfällt, je weiter man bei ablandigem Wind vom Ufer entfernt ist und je stärker der Wind weht.

Dünung

Neben der Windsee kann es ein weiteres Wellensystem geben, das sich von ihr unterscheidet: die Dünung. Sie besteht aus einer deutlich längeren Welle als die Windsee. So manches Mal läuft die Dünungswelle aus einer anderen Richtung als die Windsee auf.

Vom Ursprung her ist die Dünung die Windsee eines ganz anderen, entfernten Wettersystems, das weit hinter dem Horizont liegt und die dortige Windsee auf eine lange Reise schickt. Diese Geburtsstätte der Windsee kann sogar tausend Seemeilen und mehr entfernt sein. Ist die Anfangsenergie sehr hoch (Sturm, Orkan) und sind keine Inseln/Küsten im Weg, läuft eine Dünungswelle quer über den Ozean, verliert nur langsam an Energie und wird dabei immer länger.

Die Wirksamkeit des weit entfernt antreibenden Windsystems hängt davon ab, wie groß die Windwirklänge, der sogenannte „Fetch“, ist, also die Angriffsfläche des Windes. Je größer der Fetch, desto höher sind die Wellen, desto weiter läuft die hieraus entstehende Dünung.

In der Nordsee ist die Angriffsfläche bei Wind aus Nordwest am längsten, vor der südfranzösischen Mittelmeerküste ist bei Südwest- bis Südlagen die Wahrscheinlichkeit für eine hohe und ausgeprägte Dünung am größten. Für die einlaufende Dünung ist es unerheblich, ob der vor Ort blasende Wind aus einer anderen Richtung als die Dünungswelle kommt. Sie wird hiervon nicht „aufgehalten“ – wohl aber die Windsee, was beim Aufeinandertreffen zu einer gefürchteten Kreuzsee führt.

Charakteristisch für die Dünung sind ihre zigfach größeren Wellenlängen, was sie, unabhängig von der Windsee, wiederum ungefährlicher macht: Der Welle fehlt die Steilheit, man fährt sie langsam hoch und langsam wieder runter.

An Flautetagen auf hoher See lässt sich Dünung am besten wahrnehmen: Trotz spiegelglatter See bewegt sich die Wasseroberfläche fast immer noch ein wenig. Auf den Ozeanen geben hohe Dünungswellen Hinweise auf Sturm- oder Orkantiefs in weiter Entfernung. In früheren Jahrhunderten dienten sie der rechtzeitigen Ankündigung von schlechtem Wetter bis hin zu Wirbelstürmen. Heute gelten diese Hinweise natürlich auch, sie sollten einem zugleich Aufforderung sein, sich um eine umfangreiche und aktuelle Wettervorhersage zu kümmern, um zu verstehen, wo die Wellen herkommen und ob sie zu schlechtem Wetter führen.

Grundsee

Höhe und Form der Welle hängen stark von der Wassertiefe ab. Nur wenn die Welle nach unten genug Platz hat und keinerlei Reibungseffekte am Meeresboden die Drehbewegung der Wasserteilchen bremsen, kann sich eine Welle vollkommen und symmetrisch entwickeln. Läuft jedoch eine solche Welle vom offenen Meer in flaches Gewässer oder auf die Küste zu, verändert die Reibung am Untergrund ihre Form beträchtlich. Beträgt die Wassertiefe weniger als die Hälfte der Wellenlänge, verformt sie sich.

Wenn das Wasser zu flach wird, wird die Welle „unten“ gebremst, der obere Teil läuft mit unverminderter Geschwindigkeit weiter. Sie steilt sich plötzlich und stark auf, überschlägt sich und bricht. Grundseen können das 2,5-Fache der ursprünglichen Wellenhöhe erreichen. Jeder, der schon einmal am Strand gestanden und die brechenden Wellen beobachtet hat, wundert sich womöglich über die Orientierung der brechenden Wellen. Aus welcher Richtung auch immer die Wellen ursprünglich auf die Küste zulaufen, auf den Strand selbst laufen sie immer parallel zur Küstenlinie. Der flache Untergrund zwingt ihnen diese Richtung auf.

Kreuzsee

Überlagern sich Wellen, entstehen neue Wellen. Diese können symmetrisch oder völlig chaotisch sein. Bestenfalls haben alle Wellen mehr oder weniger dieselbe Laufrichtung. Dann ändert sich lediglich die Wellenlänge, also der Abstand der Wellenberge voneinander. Oftmals ändert sich dabei aber auch die Wellenhöhe, es tauchen immer wieder Wellenberge auf, die deutlich höher sind.

Ein chaotisches Wellenbild ist zu erwarten, wenn die Wellen aus unterschiedlichen Richtungen aufeinander zulaufen. Von kabbelig über unangenehm bis hin zu gefährlich und „unbedingt zu meiden“ reicht hier das Spektrum. Kreuzseen sind sehr unregelmäßige Wellen, die sich gegenseitig aufsteilen. Das Wellenbild verliert jegliche Geometrie, ein Boot wird zum Spielball der Wellen. Einzelne können sich zu extremer Größe auftürmen und brechen. Kreuzseen sind gefährlich und daher unbedingt zu meiden!

Die klassische Kreuzsee entsteht aus einer Windsee und einer Dünung, die beide aus einem Winkel größer als siebzig Grad aufeinander zulaufen. Eine hohe Eintrittswahrscheinlichkeit für Kreuzseen gibt es an Kaltfronten und an einem Trog wegen der Windsprünge: Vor der Kaltfront/dem Trog steht eine Windsee (beispielsweise aus Südwest), hinter der Kaltfront/dem Trog läuft eine Dünungswelle auf (beispielsweise aus Nordwest bis Nordnordwest). Beide Systeme treffen dicht vor der Front aufeinander.

Physikalische Eigenschaften von Wellen und Seegang

Unabhängig davon, welche Wellenart den Seegang bestimmt, sind es immer dieselben physikalischen Grundlagen und Parameter, mit denen sich das Wellenbild beschreiben lässt:

• Wellenlänge
• Wellenperiode
• Wellenhöhe

Wellenlänge

Die Wellenlänge beschreibt den Abstand von einem Wellenberg zum nächsten der nachfolgenden Welle (man kann auch den Abstand von einem Wellental zum nächsten nehmen). Die Wellenlänge sagt viel aus über die Eigenschaft des Seegangs. Je länger eine Welle ist, desto flacher ist der Anstieg, desto angenehmer ist die Welle. Je länger Wind weht und zur Entstehung dieser Wellen beiträgt, desto länger wird auch die Welle – vorausgesetzt das Wasser ist tief genug.

Das niederländische lJsselmeer ist beispielsweise für seine steilen, kurzen und dennoch hohen Wellen bekannt, wenn der Wind mit mehr als Windstärke vier bis fünf weht. Ähnlich verhält es sich in einigen Ecken im Bereich der Ostsee, wo die Wassertiefe geringer als zwanzig Meter ist und sich eine kurze steile Welle entwickeln kann, wenn der Wind Windstärke fünf überschritten hat. Beträgt die Wassertiefe mehr als zwanzig Meter sind die Wellen erheblich länger und dadurch viel angenehmer.

Wellenperiode

Die Periode einer Welle gibt die Zeit an, die vom Durchgang eines Wellenberges bis zum nächsten vergeht. Damit ist die Periode auch ein Maß zur Beschreibung der Wellenlänge. Hierüber lässt sich abschätzen, wie lang eine Welle ist und wie hoch sie sein könnte. Je kürzer die Zeit, desto kürzer die Welle, desto flacher ist sie in der Regel auch.

Wellenhöhe

Das größte Interesse gilt in der Regel der Wellenhöhe. Sie gibt den Höhenunterschied zwischen Wellental und Wellenberg an. Auf offener See ist es schwierig und braucht viel Übung, die Wellenhöhe richtig einzuschätzen. Meist fehlen die Bezugspunkte, die erst einen Größenvergleich ermöglichen.

Bei Seewettervorhersagen mit direktem Modelloutput (beispielsweise GRIB-Daten) handelt es sich durchweg um die signifikante Wellenhöhe. Sie wird in einem Vorhersagemodell berechnet. Die signifikante Wellenhöhe ist der Mittelwert des oberen Drittels der zu erwartenden Wellen. Diese Wellen prägen maßgeblich das Aussehen der See, sie bestimmen das Seegangsbild. Dafür wird faktisch jeder Wellenberg senkrecht in drei Teile geteilt, jeweils die Mitte des oberen Drittels hergenommen und über alle an dem Vorhersageort auftauchenden Wellen gemittelt. Das heißt zugleich: Die signifikante Wellenhöhe beschreibt nicht die höchsten Wellen!

Etwa fünfzehn Prozent aller Wellen sind höher als die signifikante Wellenhöhe. Jede tausendste Welle ist sogar doppelt so hoch und jede zwanzigtausendste Welle ist mehr als zweimal so hoch wie die signifikante Wellenhöhe. Bei fünf Meter hohen Wellen ist irgendwann auch mal eine Zehnmeterwelle möglich. Doch müssen so hohe Wellen nicht zwangsläufig gefährlich sein, da sie eine große Wellenlänge haben können. Ein Grund, warum beispielsweise Ostseewellen durchaus unangenehmer und gefährlich sein können als Nordseewellen, auch wenn Letztere höher ausfallen. Die Wellenlänge ist der entscheidende, wellencharakteristische Parameter.

Eine gute Faustformel für die Gesamthöhe des zu erwartenden Seegangs ist: Die Gesamtwellenhöhe ist gleich signifikante Wellenhöhe plus dreißig Prozent. Diese Abschätzung gilt aber nur für normale Seegangsbedingungen unter Einfluss gewöhnlicher Luftdruckgegensätze. Bei Windgeschwindigkeiten über vierzig Knoten und aufgrund zusätzlicher äußerer Einflüsse und Umstände können die Wellen erheblich höher werden.

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Kaventsmänner, Monsterwellen und Freak Waves

Die Seefahrt lebt, wie jede Auseinandersetzung mit der Natur, von Überlieferungen. Als es früher noch keine dauerhaften Messinstrumente und Satellitenbeobachtungen gab, waren es nur diese Seemannsgeschichten, in denen von haushohen Wellenbergen die Rede war. Heute weiß man, dass es kein Seemannsgarn war. Es entwickeln sich hin und wieder auf den offenen Meeren und Ozeanen extrem hohe Wellen. Auf allen Weltmeeren kann das passieren: Nordsee, Atlantik, Pazifik, Mittelmeer und weitere.

Die höchste an einer Ölplattform registrierte Welle in der Nordsee war 26 Meter hoch. Bisher ein Einzelfall, doch Besatzungen von Seenotrettungskreuzern berichten immer wieder von Wellenhöhen zwischen 10 und 15 m. Diese durch Orkan und schweren Sturm entstehenden Wellenberge heißen Kaventsmänner, Monsterwellen oder Freak Waves.

Spätestens seitdem eine 35 Meter hohe Welle das Kreuzfahrtschiff BREMEN am 22. Februar 2001 im Südatlantik vor Argentinien in große Schwierigkeiten brachte und das Schiff nur knapp einer Katastrophe entging oder am 03. März 2010 im westlichen Mittelmeer zwischen Barcelona und Genua mehrere Wellen kurz hintereinander in die 30 Meter hoch gelegene Brücke des Kreuzfahrtschiffes LOUIS MAJESTY eindrangen, ist bekannt, dass Freak Waves existieren und nicht nur der Theorie oder irgendwelcher Hafenkneipen entstammen.

Hat eine Welle die doppelte Höhe der „normalen“ Wellen eines Windfeldes, spricht man von Monsterwellen oder Freak Waves. Dabei gibt es unter den Monsterwellen noch eine dreistufige Unterscheidung und Steigerung:

• Die einzelne, unförmige Welle, die anders als die übrigen Wellen mit hoher Geschwindigkeit über das Weltmeer rast.
• Die weiße Wand: Diese Welle ist eine steil aufragende, bis zu 30 Meter hohe Flanke, an der der Schaum der brechenden Wellenkrone herunterfällt. Sie bleibt über viele Seemeilen lange in dieser Form bestehen, und kann beim Aufprall eine Wucht von 100 Tonnen pro Quadratmeter ausüben.
• Die sogenannten „drei Schwestern“: Dies ist eine Wellengruppe von drei einzelnen Wellen, bei denen ein Schiff große Probleme bekommt, im Wellental den nötigen Auftrieb zu entwickeln. Möglicherweise gelingt es noch bei der ersten oder zweiten Welle, doch die dritte (eventuell sogar eine vierte) Welle rollt schließlich über das Schiff hinweg.

Entstehungsgebiete von Monsterwellen sind:

• Reviere mit großen Strömungen, in denen Wellen gebündelt werden können (beispielsweise Golfstrom im Nordatlantik, Agulhasströmung vor Südafrika)
• Sturm mit Wind gegen Strömung-Situation
• Heftige Sturmtiefs mit extremen Trögen auf den offenen Ozeanen
• Flachwasserbereiche (Schelfe), in die eine sturmgepeitschte Welle läuft (Great Banks)
• Kreuzseen und zufällige Überlagerungen von mehreren Wellen (Resonanzeffekte)

Ein Ausweichen vor diesen Wellen scheint unmöglich. Sie sind mit hoher Geschwindigkeit unterwegs. Glaubte man bisher, es sei das Beste, diese Wellen senkrecht zu durchfahren, zeigen neueste Erkenntnisse, dass es eine größere Wahrscheinlichkeit gibt, schweren Schaden abzuwenden, wenn diese Wellen in einem spitzen Winkel angefahren werden.