Jahrhunderte haben Seeleute von ihnen berichtet, Jahrhunderte hat ihnen niemand geglaubt. Monsterwellen, die bei ansonsten ruhiger See plötzlich wie eine dreißig Meter hohe Wasserwand auftauchten, Schiffe in die Tiefe rissen und bald darauf einfach verschwanden. Bis am 1. Januar 1995 eine Riesenwelle in der Nordsee auf die Draupner-Bohrinsel traf und noch im selben Jahr der Luxusliner Queen Elizabeth 2 mit einer 29 Meter hohen Welle zusammenstieß. "Als würden die weißen Klippen von Dover auf einen zukommen", soll der Kapitän über die Begegnung gesagt haben.

Seitdem beschäftigt sich die Wissenschaft ernsthaft mit den Monsterwellen. Im Rahmen des Programms "Max Wave" am Institut für Küstenforschung des GKSS-Forschungszentrums stellte sich bei der Auswertung von Satellitenaufnahmen heraus, dass extreme Wellen gar nicht so selten sind, wie man zuvor vermutet hatte. Nach Schätzungen ziehen zu jeder Zeit etwa zwanzig von ihnen über die Meere. Dabei türmen sie sich während eines Sturms ebenso auf wie bei gutem Wetter, wandern einige Kilometer und verlieren sich nach wenigen Minuten wieder. Und das, obwohl es sie aus physikalischer Sicht eigentlich nicht geben dürfte.

Nichtlineare Natur

Monsterwellen können schwere Schäden anrichten.
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Wenigstens nicht nach den braven linearen Gleichungen, bei denen eine Größe sich vorausschaubar und wenig spektakulär mit ihren Variablen ändert. Diese Formeln beschreiben fast alle Vorgänge in der Natur mit einer alltagstauglichen Genauigkeit. Und verschleiern so, dass die Natur meist nicht linear ist. Vielmehr neigt sie unter bestimmten Umständen zu unvorhersehbaren Sprüngen und gewaltigen Änderungen. Kleine Unterschiede können dann bei ansonsten identischen Ausgangswerten extrem unterschiedliche Folgen haben. Wie eben Monsterwellen, deren Wassermassen eigentlich bereits während der Wachstumsphase in sich zusammenstürzen müssten.

Zur Beschreibung derart komplexer Systeme greifen Wissenschaftler darum auf nichtlineare Gleichungen zurück. Beispielsweise eine nichtlineare Variante der Schrödinger-Gleichung, die zwar aus dem Bereich der Quantenphysik stammt, aber auch mit den Ozeanwellen bemerkenswert gut zurechtkommt. Allem Anschein nach folgen Wellen verschiedenster Größenordnungen und Herkunft manchmal dem gleichen Verhaltensmuster.

Auf diesen Zusammenhang setzten Forscher um Daniel Solli von der University of California in Los Angeles, zu denen auch Claus Ropers vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin gehörte. Die Wissenschaftler studierten die Monsterwellen, indem sie nicht riesige Wassertanks in ihrem Labor aufbauten, sondern Laser und optische Fasern.

Das Superkontinuum

Speist man in solch eine Faser rotes Licht ein, so tritt am anderen Ende für gewöhnlich auch rotes Licht aus. Übersteigt die Intensität jedoch einen Schwellenwert, kommt es zu einer Art "optischem Sturm" im Lichtleiter. Nichtlineare Effekte bewirken, dass die Lichtwellen einen breiten Frequenzbereich einnehmen und ein sogenanntes Superkontinuum entsteht – das Laserlicht erscheint weiß. Ein optisches Pendant zu starkem Seegang bei einem Orkan auf dem Meer.

Monsterwellen im Labor
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In ihren Versuchen stellten die Physiker jedoch fest, dass auch schwache Laserpulse weiße Blitze auslösen können, die äußerst stark waren und extrem kurz andauerten. Nur etwa eine halbe billionstel Sekunde (Pikosekunde) leuchtete so ein Blitz auf, viel kürzer als die eingespeisten Pulse von zwei Pikosekunden Länge. Dafür war er 30- bis 40-mal intensiver als ein durchschnittlicher Blitz – das optische Gegenstück zur Monsterwelle.

Um so kurze Ereignisse überhaupt verfolgen zu können, entwickelten die Wissenschaftler eine neue Methode, bei der sie das austretende Licht filterten und vorübergehend zeitlich streckten. Dadurch traten auf ihren Messkurven die Extremblitze als vereinzelte Zacken mit steilen Kanten deutlich hervor. Diese Solitonen waren selten, aber immer noch häufiger, als die gewöhnlichen Statistiken vorhersagen. Trägt man die Häufigkeit der Blitze in Abhängigkeit von ihrer Intensität auf, ergibt sich nämlich keine Glockenkurve, wie konventionelle Wellenmodelle sie zeigen. Stattdessen entwickelt sich eine L-Form mit einem mächtigen Maximum bei kleinen Werten, aber einem nennenswerten "Fuß", der auch bei schwacher Anregung bis in den monströsen Bereich ragt.

Störungen des Zufalls

Den Auslöser für das extreme Verhalten entlarvte allerdings erst das theoretische Modell auf Basis der nichtlinearen Schrödinger-Gleichung. Wurde es mit reinen Impulsen gespeist, blieben die optischen Wogen niedrig. Erst als die Forscher ein wenig Rauschen hinzumischten, türmten sich die Riesen auch in der Simulation. Es sind wohl die kleinen Störungen des Zufalls, die mitunter ein Monster schaffen. Sei es mit Licht oder mit Wasser.

Eine hervorstechende Eigenschaft der Riesenwellen machen den Wissenschaftlern aber noch auf See wie im Labor zu schaffen: Wann und wo sich ein Soliton bildet, lässt sich bislang nicht vorhersagen. Allerdings haben die optischen Experimente einige Hinweise gegeben, dass es einen Zusammenhang zwischen der Art des Rauschens und einem folgenden weißen Blitz geben könnte. Das macht Hoffnung auf ein zukünftiges Warnsystem für Schiffe. Denn bei aller Forschung im sicheren Labor darf nicht vergessen werden, dass die Wasserwände auf den Ozeanen vermutlich schon so manches Schiff ins Verderben gerissen haben.