Die Welle weist den Menschen in seine Schranken – bis heute birgt das Naturphänomen Rätsel

Ein Ungeheuer wird geboren

Sein Vater ist der Wind. Wenn er seine Krallen ausfährt und in die makellose Oberfläche des Meeres greift, erschafft er Wellen. Eine Welle kann werden, was die Schwerkraft nicht zu zügeln vermag. Zunächst raut der Wind das Glatte auf, ein planer Meeresspiegel bekommt erste Dellen. Die packt der Wind sich, hebt sie an, schiebt sie vor sich her. Lässt er nicht nach, schenkt er weiteren Wellen das Leben. Aus einer stillen See werden tobende Wogen, die, von der väterlichen Energie gespeist, ihre Reise über das Meer beginnen. Der amerikanische Künstler Robert Longo hat sie als Gischt speienden Drachen gemalt – stoppen kann dieses Tier nur der Meeresgrund, die Küste oder ein anderes Hindernis. Der Mensch muss zusehen, dass er mit heiler Haut davonkommt. Wasser ist der Beginn allen Lebens, sammelt es sich in unbeherrschbarer Menge, bedeutet es seinen Untergang.

Die Sonne zum Freund

Die eigentliche Wellenverantwortliche ist die Sonne. Sie erwärmt die Luft und bewirkt, dass Luftmassen in manchen Regionen höher steigen als in anderen, was zu unterschiedlichen Druckverhältnissen führt. Die aus der Drehung der Erde entstehende Corioliskraft bringt diese Luftmassen in eine Kreisbewegung. So beginnt der Wind zu wehen. Also ist die Sonne eine Freundin der Wellen. Geht sie abends unter und erwärmt keine Luft mehr, legt sich manchmal auch der Wind und findet seine Ruhe.

Nur eine optische Täuschung

Weht der Wind über das Wasser, überträgt er durch Reibung etwas von seiner Energie auf die Wasseroberfläche – eine Welle entsteht. Aber was sich fortbewegt, ist nicht Materie, sondern vor allem Energie. Das Wasser fließt nicht in der Horizontalen, sondern bloß auf und ab. Als ob man eine Decke ausschlägt: Der Stoff formt sich zu Wellen, die Decke aber bewegt sich nicht fort. Auch ein Stück Treibholz oder eine schwimmende Möwe werden von den Wellen angehoben und abgesenkt, bleiben aber fast an derselben Stelle. Forscher sprechen von der Stokes-Drift, einer Bewegung in Richtung der Wellen, die deutlich langsamer ist als die Wellen selbst. Die Wassermoleküle folgen dem Wind an der Oberfläche, weichen, weil es eng wird, nach oben aus, bilden den Wellenberg, zielen, begünstigt durch die Erdanziehungskraft, aber wieder nach unten und vollenden eine fast kreisförmige Bewegung. Diese Bewegung wird an darunterliegende Teilchen weitergegeben, nehmen mit der Tiefe aber ab.

Vom Tal bis zum Kamm

Der Wellenkamm ist der höchste Teil einer Welle, das Wellental der niedrigste. Der Wellenberg ist der Teil, der oberhalb des Stillwasserniveaus liegt. Die Höhe einer Welle wird vom Tal bis zum Kamm gemessen, die Länge definiert sich aus dem räumlichen Abstand von einem Kamm oder einem Tal zum nächsten. Die Wellenperiode ist dagegen eine zeitliche Einheit, die den Abstand zwischen zwei Kämmen in Sekunden misst.

Wellen sind ordnungsliebend

Wellen entwickeln sich im Zusammenspiel von Windstärke, Winddauer und der Größe ihres Ursprungsgebietes, also der Fläche des Meeres, über die der Wind weht, auch fetch, Windlauf- oder Streichlänge, genannt. In der Anfangsphase sieht das Meer chaotisch aus: Kräuselwellen unterschiedlicher Formen, Größen und Längen treiben durcheinander, sie vermischen, überholen und verschlucken sich. "Die Kräusel sind der Kampf" zwischen Wassermolekülen und Windenergie, schreibt der englische Autor Tristan Gooley in seinem Buch Die geheimen Zeichen des Wassers: Wasser wird von der zwischen seinen Molekülen bestehenden Anziehungskraft zusammengehalten und hat dadurch eine Oberflächenspannung. Diese glättet die Kräusel, kaum dass sie entstanden sind, die Brise raut die Oberflächenspannung wieder auf. Kräuselwellen leben also nur für ein paar Sekunden. Damit sie zu richtigen Wellen werden können, braucht es mehr als eine Brise, nämlich beständigen Wind. Der muss ungefähr eine Stunde anhalten, bis das Kuddelmuddel sich zu ordnen beginnt. Dafür nutzt der Wind den Widerstand der Kräusel und fängt sich darin. Sobald die Wellen über so viel Energie verfügen, dass sie sich nicht mehr von der Oberflächenspannung platt drücken lassen, heißen sie Schwerewellen. Zur Dünung werden diese, wenn sie aufgrund ihrer unterschiedlichen Länge (also Geschwindigkeit) auseinanderlaufen, sich der Länge nach sortieren und eigenständig fortbewegen – bis zur Küste.

Dieser Text stammt aus dem ZEIT WISSEN Magazin 5/18.

Dünung kann Hunderte oder sogar Tausende von Seemeilen wandern und tagelang bestehen bleiben, solange sie nicht auf ein Hindernis trifft. Auf ihrer Reise ist die Dünung aber Einflüssen ausgesetzt: anderen Stürmen, Gegenwinden, kreuzenden Dünungen, Strömungen. Dadurch ändert sich ihr Aussehen. Sie hat aber stets eine Periode von mindestens zehn Sekunden. Kräuselwellen haben eine Periode von einer Sekunde, Schwerewellen liegen dazwischen. Kräusel- und Schwerewellen und auch Dünung können gleichzeitig auftreten: Kräuselwellen sitzen auf Wellen und die wiederum auf einer Dünung, und sie können sich sogar in verschiedene Richtungen bewegen. Im tiefen Wasser ähnelt die Dünung einer sich nach dem Sinusgesetz ausbreitenden Welle, bestimmt durch die physikalischen Größen Periode (Länge), Position (Phase) und Amplitude (Höhe).

Wellen vermählen sich

Wenn Wellen auf offener See aufeinandertreffen, entsteht aus zwei Wellen eine Welle, deren Amplitude in jedem Punkt der algebraischen Summe der Amplituden der einzelnen Wellen entspricht (konstruktive Interferenz). Sind die Phasen der beiden Wellen jedoch versetzt (Kamm steht gegenüber Tal), heben sich die Wellen auf (destruktive Interferenz). Die Richtung von aufeinandertreffenden Wellen berechnet sich durch die Vektorsumme.

Winzige Riesen

Um Wellenhöhen zu bestimmen, definieren Ozeanografen eine künstliche Größe, die signifikante Wellenhöhe: Mathematisch wird sie ermittelt, indem man vom größten Wellendrittel einen Mittelwert bildet. Die Schätzungen erfahrener Seeleute entsprechen oft diesem Wert, weswegen man auch vom optischen Mittelwert spricht. Jede siebte oder achte Welle liegt über dem optischen Mittelwert. Aber nicht diese Ausreißer werden auf hoher See gefürchtet, sondern eine Kreuzsee und unexpected waves, also nicht erwartete Wellen . Eine Kreuzsee entsteht, wenn Wellen aus verschiedenen Richtungen kommen und sich kreuzen. Eine besondere Topografie, etwa steile Felsen, kann diesen Effekt der Kreuzsee erhöhen. Unexpected waves müssen nicht besonders hoch sein, sind aber stets überraschend und darum gefährlich.