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Das Geheimnis der Wellen enträtseln

Die Dynamik von Wellen ist bis heute nicht wirklich verstanden – weil ihre Bewegung so schnell und komplex ist. Mit einer wasserfesten Laseranlage friert der Physiker Marc Buckley des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) jetzt die Bewegung von Wellen gewissermaßen ein, um herauszufinden, wie Windenergie in Wellenbewegung umgewandelt wird. Davon verspricht er sich wichtige Erkenntnisse zur Entstehung von Hurrikans und Informationen, mit denen sich mathematische Klimamodelle optimieren lassen.

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Dynamische Energieumwandlung durch Wind und Wellen. Foto: HZG/Ralf Weisse

Wo Wasser ist, da sind auch Wellen. Rund um die Erde auf, allen Meeren, zu jeder Zeit. Die Ozeane bedecken etwa 70 Prozent des Globus – und damit sind 70 Prozent der Erdoberfläche von Wellen geprägt. Doch obwohl das Phänomen Welle so alltäglich ist, hat man es auch nach mehr als 100 Jahren Meeresforschung noch nicht wirklich verstanden. Klar ist, dass der Wind die Energie liefert, die das Wasser zu Wogen aufbaut. Doch wie die Bewegung des Windes im Detail in Wellenergie umgewandelt wird, wann eine Welle entsteht und wie sie wächst, das ist bislang nicht wirklich klar. Warum zum Beispiel verliert ein Hurrikan bei seiner Reise über das Meer nicht an Energie, obwohl er Brecher von zehn und mehr Meter Höhe auftürmt – also viel Energie in die Entstehung der Wellen fließt?

Schneller Laser erfasst Wellen

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Marc Buckley an der Laserapparatur. Foto: HZG/Ina Frings

Um Fragen wie diese zu beantworten, taucht der HZG-Physiker Dr. Marc Buckley tiefer in das Thema Welle ein, als viele Kollegen zuvor. Er hat eine Laserapparatur entwickelt, mit der er gewissermaßen filmen kann, wie die Energie des Windes in die Welle übergeht. Dieses Spezialgerät arbeitet so flink, dass es selbst schnelle Wellen wahrnehmen und vermessen kann, die mit einer Geschwindigkeit von mehreren Metern pro Sekunde vorbeirauschen. „Bislang war es technisch einfach nicht möglich, so schnelle Bewegungen in Gänze zu beobachten“, sagt Buckley. „Man konnte zwar die Geschwindigkeit der Wellen messen, nicht aber die Energieflüsse.“

Den ersten Prototyp seiner Apparatur mit dem Namen AirSeaPix hat Marc Buckley an einem Wellenkanal an der University of Delaware in den USA entwickelt. Das Prinzip besteht darin, dass sehr schnelle digitale Kameras die Bewegung und Veränderung vorbeigleitender Wellen erfassen, die von Lasern erleuchtet werden. Zusätzlich werden mit einer Apparatur aus Wasserpumpen, Schläuchen und Nebeldüsen feine Nebeltröpfchen exakt definierter Größe produziert, die perfekt in der Luft schweben und mit dem Wind fortgetragen werden. Auch diese vorüberfliegenden Nebeltröpfchen werden mit Laserlicht erleuchtet und von den Kameras erfasst. Damit werden auch die Verwirbelungen der Luft über der Welle sichtbar.

Buckleys Aufnahmen zeigen erstmals deutlich, wo sich über einer Welle Turbulenzen bilden und wie diese Turbulenzen die Wellen formen; ein in dieser Form bislang einmaliger Ansatz. „Wir können daraus ablesen, wo und wie Energie übertragen wird, wie sich der Bewegungsimpuls der Luftströmung in der Welle fortsetzt“, sagt Marc Buckley.

Ein aus der Industrie entlehntes Verfahren

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Die Kameras erfassen sichtbar gemachte Partikel. Foto: HZG/Ina Frings

Vor einiger Zeit ist er an das Institut für Küstenforschung des HZG gewechselt, um die Laboranlage zu einem Gerät weiterzuentwickeln, das robust genug ist, um es im Meer einzusetzen. Versuche, die er auf Einladung auf einem US-Forschungsschiff im Pazifik machen konnte, zeigen, dass die Technik funktioniert.

Prinzipiell basiert die Technik auf einem in der Industrie etablierten optischen Verfahren, der Particle Image Velocimetry (PIV), was sich in etwa mit Partikel-Bild-Geschwindigkeitsmessung übersetzen lässt. Bei diesem Verfahren werden einer Flüssigkeit kleine Partikel zugesetzt, um an der Bewegung der Partikel beobachten zu können, wie die Flüssigkeit strömt – damit lassen sich beispielsweise die Strömungseigenschaften von Flugzeugflügeln oder Automodellen testen.

„Der wesentliche Unterschied zu unserer Anwendung besteht darin, dass sich diese Gegenstände nicht bewegen – bei uns aber bewegt sich das ganze System aus Wind und Welle extrem schnell, eine große Herausforderung für die Kamera- und Bildverarbeitungstechnik.“ Doch es funktioniert.

Praxistest in der Ostsee

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Messpfahl und Anlage werden zunächst auf dem HZG-Gelände geteste. Foto: HZG/Ina Frings

Derzeit montiert Marc Buckley sein AirSeaPix an einen elf Meter hohen Messpfahl, der in diesem Jahr in der Ostsee aufgestellt wird. Dort soll die Anlage kontinuierlich Wellen und den Strom der Nebeltröpfchen aufzeichnen. Glücklicherweise gibt es in der Ostsee keine Hurrikans, dennoch werden die Ergebnisse Marc Buckley viele neue Erkenntnisse bringen, hofft er. „Indem wir die Energieflüsse zwischen Luft und Wasser vermessen, können wir die Prinzipien der Wellenentstehung besser verstehen. Die Ergebnisse können wir dann hoffentlich auf Phänomene wie Hurrikans hochrechnen, extrapolieren.“

Doch es geht nicht nur um Hurrikans, sondern auch um grundsätzliche Phänomene, die vor allem in Zeiten des Klimawandels von Interesse sind. Das Klima hängt in besonderem Maße davon ab, wie Energie im großen Maßstab zwischen den Schichten der Atmosphäre, zwischen der Atmosphäre und dem Land sowie zwischen der Atmosphäre und dem Meer ausgetauscht wird. Die Sonne erwärmt Landmassen und Meer unterschiedlich stark, wodurch Luftmassen mit verschiedenen Luftdrücken entstehen. Die unterschiedlichen Luftdrücke wiederum führen zu Luftströmungen und Wind, und diese wiederum erzeugen auf dem Meer Wellen.

„Da die Meere eine so große Fläche bedecken, ist die Wellendynamik besonders wichtig, um die Energieflüsse an der Grenze zur Atmosphäre zu verstehen“, sagt Buckley. „Nur wenn wir diese Energieflüsse korrekt beschreiben, können diese in mathematischen Klimamodellen richtig berücksichtigt werden.“ Bislang fließt das Phänomen „Welle“ mathematisch stark abstrahiert in die Modelle ein. Marc Buckley will künftig realistischere Werte für ein Wellenmodell liefern, das dazu beitragen soll, die Klimarechnungen weiter zu verbessern.

Und noch etwas wird sich mit dem AirSeaPix künftig möglicherweise besser abschätzen lassen: die Aufnahme von Sauerstoff und vor allem dem Klimagas Kohlendioxid aus der Atmosphäre ins Meer. Da Buckleys Apparat auch feine Gischt sichtbar macht, lässt sich gut erkennen wie stark Luft ins Meer eingemischt wird. „Kohlendioxid geht ins Meerwasser über, wenn es so richtig von Wellen und Gischt umhüllt wird – mit unserer Kameratechnik können wir das sehr gut erkennen.“

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Marc Buckley auf dem Messpfahl. Foto: HZG/Ina Frings

Zunächst aber muss der Messpfahl in der Ostsee aufgestellt werden. Etwa vier Meter wird er aus dem Wasser herausragen, bestückt mit Batterien, Lasers, Kameras und Nebelmaschine. Noch bevor der Pfahl steht, hat er bereits die nächste Ausbaustufe seines AirSeaPix auf dem Plan. „Künftig sollen die Kameras auch die Verwirbelungen unter Wasser filmen, damit wir die Dynamik der Wellen und die Energieflüsse noch besser verstehen.“



Text: Tim Schröder/Wissenschaftsjournalist

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Abteilung "Radarhydrographie"

Dr. Marc Buckley

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