Monsterwellen (auch Riesenwellen, Kaventsmänner oder Freakwaves von englisch freak wave, englisch auch rogue waves) sind außergewöhnlich hohe, einzelne marine Wasserwellen.
Die Höhe und die hohe Geschwindigkeit solcher Wellen erzeugen enorme Anprallkräfte. Kleinere Schiffe können „verschluckt“ oder „zerschlagen“ werden. Größere Schiffe können durch die enormen Kräfte, infolge der Schäden an den Aufbauten oder durch zerborstene Fenster, manövrierunfähig werden. Selbst für Großschiffe stellen Monsterwellen eine ernste Gefahr dar, da die trägen Schiffskörper außerordentlichen und sehr schnell wechselnden Belastungen ausgesetzt werden, unter denen sie sogar auseinanderbrechen können.
Lange Zeit galten Monsterwellen als Seemannsgarn, bis Satellitenaufnahmen und andere Messungen ihre Existenz bewiesen. Erst seit 1995 sind sie anerkannt und werden intensiv erforscht.
Bis 1995 galten Monsterwellen, über die schon seit Jahrhunderten von Seeleuten berichtet wird, als reine Erfindungen („Seemannsgarn“). Verluste von Schiffen wurden schlechter Wartung oder mangelnden seemännischen Fähigkeiten zugeschrieben, auch wenn es Fälle gab, bei denen diese Begründungen nicht ausreichten. Zwei Ereignisse mit eindeutig dokumentierten Monsterwellen führten dann dazu, dass deren Existenz nicht mehr in Frage gestellt wurde und wissenschaftliche Forschungen begannen: In der Neujahrsnacht 1995 wurde von der automatischen Wellenmessanlage der norwegischen Ölbohrplattform Draupner-E während eines Sturms in der Nordsee eine einzelne Welle – die dann Draupner-Welle genannte – mit 26 m Höhe dokumentiert.
Noch im selben Jahr, am 11. September, wurde der britische Luxusliner Queen Elizabeth 2 auf dem Weg von Cherbourg nach New York über der Neufundlandbank von Monsterwellen getroffen. Damit wurde klar, dass es Monsterwellen gibt, und in den folgenden Jahren wurden Berichte und Forschungen ausgewertet.
Die von der wissenschaftlichen Forschung zuvor bestimmte maximale Höhe natürlicher Ozeanwellen von 15 m war zugleich Maßstab für die Auslegung der Belastbarkeit von Schiffen im Schiffbau auf 16,5 m. Erst ein Forschungsauftrag der Versicherungen, die für den Verlust von Schiffen aufzukommen hatten, brachte neue Erkenntnisse.
Seegang setzt sich grundsätzlich aus Komponenten unterschiedlicher Wellenlänge – und damit Ausbreitungsgeschwindigkeit (siehe dazu auch Phasengeschwindigkeit) – und Richtung zusammen. Die momentane lokale Wasserstandshöhe wird häufig zunächst statistisch nach dem zentralen Grenzwertsatz normalverteilt angenommen. Man bezeichnet heuristisch die intuitiv empfundene Seegangshöhe als durch die signifikante Wellenhöhe gegeben (das arithmetische Mittel der Wellenhöhen des höchsten Drittels der Wellen). Die Normalverteilung lässt aber auch viel größere Höhendifferenzen zu, die nur sehr selten vorkommen, deren Häufigkeit unter Annahme der Normalverteilung aber genau bestimmt werden kann. Während man früher davon ausging, dass sehr hohe Wellen („Jahrhundertwelle“) seltener auftreten, als es der Normalverteilung entspricht, führen neuere Beobachtungen und theoretische Ansätze zum gegenteiligen Schluss. Die Ursache hierfür liegt darin, dass die Überlagerung der Elementarwellen nicht linear ist, wie es der Zentrale Grenzwertsatz voraussetzt. Insgesamt wird die Verteilung seltener hoher Wellen in Abweichung von der Normalverteilung noch nicht vollständig verstanden.
Monsterwellen überschreiten die „signifikante Wellenhöhe“, also den Mittelwert der höchsten Wellen in einem Seegang, um mindestens das Doppelte und haben eine vergleichsweise kurze Wellenlänge. Dies führt zu einem massiven Aufprall, der zu schweren Zerstörungen oder zum Untergang eines Schiffes führen kann. Zufällig an Steilküsten auftreffend, können sie auch Menschen und Tiere mitreißen.
Drei Arten von Monsterwellen sind bisher bekannt:
Um Monsterwellen erklären zu können, sind komplexe Modelle notwendig. So wandte Alfred Osborne, Professor der Physik an der Universität Turin, erstmals 1965 die quantenmechanistische Schrödingergleichung zur Beschreibung der nichtlinearen Ausbreitung von Hochseewellen an. Entsprechend diesen Gleichungen entsteht die Monsterwelle eher zufällig aufgrund von Welleninstabilitäten, indem sie lokal aus ihren umgebenden Wellenzügen Energie absaugt und dadurch viel höher als die umgebenden Wellen werden kann. Seine frühen Arbeiten wurden von Ozeanografen nur wenig beachtet. Osborne verwarf diese Berechnungsmethode – bis 1995 auf der Ölbohrplattform Draupner-E in der Nordsee eine einzelne Welle registriert wurde, die exakt Osbornes Vorhersagen entsprochen hatte. Die Nichtlinearität von Wasserwellen ist seitdem anerkannt und wird seit etwa 2001 von Schiffbauern berücksichtigt.
Monsterwellen konzentrieren sich zudem vielfach in Gegenden mit Meeresströmungen. Starker Wind gegen die Richtung der Meeresströmung macht die Entstehung hohen Seegangs wahrscheinlicher. Eine Dünung kann ebenfalls gegen eine Meeresströmung laufen. Dabei werden die Wellen kürzer, aber steiler und höher. Kommen dann noch Überlagerungen hinzu, entstehen große Wellen. Auch Seegebiete, in denen die Wassertiefe plötzlich abnimmt, sind bekannt für gefährlichen Seegang. Die Seegebiete südöstlich und östlich von Südafrika sowie die Südspitze Südamerikas (Kap Hoorn) sind berüchtigt für das Auftreten von Monsterwellen.
Riesenwellen können auf senkrecht von oben aufgenommenen Satellitenbildern von normalen Wellen durch die steile Vorderfront unterschieden werden. Normale Wellen haben keinen so starken Kontrast, der die Wellenhöhe repräsentiert, und sind auf beiden Seiten gleich steil. Man vermutet, dass diese Monsterwellen durch Überlagerung von mehreren normalen Wellen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten entstehen. Dabei können Wellen bis zu 40 Metern Höhe entstehen. Warum gerade an gewissen Stellen wie Kap Hoorn häufiger solche Riesenwellen beobachtet werden, wird seit einigen Jahren erforscht.
Bei Radarmessungen in der Nordsee wurden erstmals Monsterwellen nachgewiesen. Die Messungen wurden unter anderem von Julian Wolfram von der Heriot-Watt Universität Edinburgh auf der Ölplattform „Draupner“ durchgeführt und man registrierte innerhalb von zwölf Jahren 466 Monsterwellen. Mit den europäischen Umweltsatelliten ERS-1 und -2 wurden im Rahmen des MaxWave-Projekts weltweit Radarmessungen vorgenommen und dabei in drei Wochen zehn Wellen gemessen, die mehr als 25 m Höhe hatten. Damit wurde nachgewiesen, dass Monsterwellen häufiger auftreten als vermutet. Einige der Forscher glauben danach, dass die meisten der rund 200 Großschiffe mit über 200 Metern Länge, die in den letzten 20 Jahren gesunken sind, direkt oder indirekt durch solche Wellen versenkt wurden.
Inzwischen gibt es auch Anhaltspunkte dafür, dass Monsterwellen durch Wellenbrechung an Hindernissen im Rahmen einer linearen Theorie und nicht durch (nichtlineare) Resonanzeffekte entstehen. Dies wurde in einer Simulation von Wellen und deren Brechung an im Vergleich zur Wellenlänge kleinen Metallkegel-Hindernissen durch Mikrowellen im Labor festgestellt.
Bei den sogenannten Monsterwellen ist nicht nur die Größe dieser Wellenart ein Problem, sondern insbesondere deren Charakteristik. Sie verfügen über eine sehr steile Flanke und eine relativ hohe Geschwindigkeit. Aufgrund der Eigenträgheit eines Schiffes kann dieses eine solche Welle nicht einfach überfahren, sondern wird von ihr regelrecht überrollt (Brecherwelle). Die hierbei auftretenden Belastungen sind erheblich höher als bei normalen Sturmwellen. Während die meisten Schiffe auf einen Wasserdruck von maximal 150 kN/m² ausgelegt sind, kann bei einem direkten Treffer durch eine solche Welle ein Druck von weit über 1.000 kN/m² entstehen. Selbst bei einem Frontaltreffer taucht das Schiff tief in die Welle ein; der Wasserschlag trifft in der Regel, bedingt durch die Höhe der Welle, die Aufbauten, welche nicht für einen solch hohen Anprall ausgelegt sind.
Ein weiteres Problem sind die kurze Wellenlänge und daraus folgend die großen, in schneller Folge vorauseilenden und nachfolgenden Wellentäler. Das Schiff wird erfasst und am Bug (bei Frontaltreffern) sehr schnell angehoben. Es durchbricht die Welle, um wieder in ein steiles Tal zu geraten, während der Mittelteil und das Heck zu diesem Zeitpunkt noch unter voller Belastung der Welle stehen. Da Schiffe nicht auf Punktbelastbarkeit ausgelegt sind, kann das Schiff an seinem „freiliegenden“, nicht durch Auftrieb gestützten Bug infolge des Eigengewichts zerbrechen.
Wird das Schiff seitlich getroffen, ist ein Kentern fast unvermeidlich.
Monsterwellen haben wenig mit Tsunamis gemein. Während ein Tsunami durch plötzliche Bewegungen des Meeresbodens ( Seebeben, Vulkanausbruch, Hangrutsch), also Verdrängungswasser, entsteht, ist an einer Monsterwelle nur Oberflächenwasser beteiligt. Da die Wellenhöhe eines Tsunami auf offenem Meer niedrig ist (nur bis zu einem Meter) und die Wellenlänge sehr lang (mehrere hundert km), läuft der Tsunami unter einem Schiff so sanft durch, dass die Welle von Menschen auf dem Schiff zumeist nicht bemerkt wird. Eine Monsterwelle jedoch türmt sich auch auf hoher See zu einer Wasserwand auf.
Erreicht ein Tsunami flache Küstenregionen, kann er sich zu einer Wasserwand von mehr als 50 Meter Höhe auftürmen und die Welle kann wegen ihrer großen Länge und den damit verbundenen enormen, in Bewegung befindlichen Wassermassen weit ins Landesinnere vordringen. Eine Monsterwelle dagegen fällt zusammen, sobald sie auf Land trifft.
Ein 2008 entworfenes Simulationsmodell von Tim Janssen (SFSU) und Thomas Herbers (NPS) soll zeigen, wo und warum solche Riesenwellen entstehen. So gehören Küstenzonen mit stark schwankenden Meerestiefen und unterschiedlichen Strömungsverhältnissen zu den anfälligen Seegebieten, in denen unberechenbar große Wellen auftreten können. Sandbänke und Strömungsverhältnisse sind dafür verantwortlich, dass Wellen ihre Richtung und Geschwindigkeit ändern. In „Wellenbrennpunkten“ kann sich Energie an einem bestimmten Punkt sammeln wie das Licht unter einer Lupe. Wenn eine Welle, so Janssen gegenüber der BBC, über eine Sandbank oder eine andere Strömung ziehe, könnten solche „Wellenbrennpunkte“ zur Wirkung gelangen. Das Computermodell soll Hotspots erkennen, an denen solche Strömungsüberlagerungen auftreten. Es kommt zu dem Ergebnis, dass an einem Hotspot drei extreme Wellen auf tausend normale kommen, während sich in einem normalen Wellenfeld nur alle 10.000 Wellen drei extremere Varianten finden. Bisher ist das Modell der Forscher rein theoretischer Natur. Eine Prüfung der Zuverlässigkeit ist an einem Abschnitt der Cortes Bank, einer z. T. bis an die Meeresoberfläche heran reichenden Untiefe 82 Kilometer südwestlich von San Clemente, der südlichsten der kalifornischen Kanalinseln mittels realer Messdaten geplant. Die Cortes Bank gilt als eine Zone, in der sich unterschiedliche Strömungen im Meer kreuzen.
Für die Schifffahrt wäre ein Modell, das Zonen mit hoher Monsterwellen-Wahrscheinlichkeit relativ genau eruiert, von hohem Nutzen, könnte man dann doch Seewege nach der Wahrscheinlichkeit solcher „Freak-Wellen“ ausrichten. Doch dafür muss sich erst die Tauglichkeit des kalifornischen Erklärungsmodells erweisen.
Bis vor kurzem galt es als sinnvollste Gegenmaßnahme, die Welle mit voller Maschinenkraft möglichst frontal anzugehen, da dieser Bereich des Schiffes für die höchsten Belastungen ausgelegt ist und die Welle zerschneidet. Neueste Erkenntnisse deuten darauf hin, dass dies nicht das Optimum darstellt, sondern die Welle – sofern sie früh genug erkannt wird und ein Manöver überhaupt noch möglich ist – analog zur Technik des Überfahrens einer Düne mit einem Geländewagen leicht schräg anzuschneiden sei. Zwar entsteht hierdurch eine extreme Druckbelastung des Vorderbugs durch die Wassermassen, die Gefahr des Durchbrechens des Schiffes ist jedoch deutlich geringer und bei genügend kleinem Winkel ist auch die Wahrscheinlichkeit des Kenterns nicht sehr hoch.
Das plötzliche Auftreten von extremen Wellenausreißern (Rogue Waves oder Freak Waves) aufgrund nichtlinearer Wechselwirkung wurde 2007 auch in der Glasfaseroptik nachgewiesen, also einem ganz anderen Bereich von Wellenphänomenen (D. Solli, Claus Ropers u. a., University of California, Los Angeles). Bei Anregung mit relativ schwachen Pulsen roten Lichts wurde bisweilen ein Übergang ins Superkontinuum (weißes Licht mit breitem Wellenlängenspektrum) beobachtet, wie er sonst in der nichtlinearen Optik nur nach Anregung mit Pulsen hoher Intensität auftrat. Man erhofft sich bei allen Unterschieden aus dem Studium von Monsterwellen in der Optik auch Rückschlüsse auf das Phänomen bei Wasserwellen.