Physik Mehr als Meer

Deutschland liegt am Strand - und wundert sich über physikalische Phänomene: Sand, Dünen, Wellen. Nicht anders erging es schon vor einem Jahrhundert der englischen Physikerin Hertha Ayrton. Mit ihrem kranken Mann weilte sie zur Kur an der Küste und machte sich nicht nur Gedanken über seine Genesung, sondern auch über die gleichmäßigen Hügelchen im Küstensand. Experimentell ahmte sie zu Hause in Gläsern und Bottichen die Wellenbewegung des Meeres nach. Wenn das Wasser über die kleinen Sandhügel strömt, bilden sich dahinter Turbulenzen, die den Sand aus den Kuhlen und den Hängen auf die Hügelchen häufen. Die sogenannten Rippel wachsen so gleichmäßig, weil sie sich gegenseitig den Sand abgraben. Sie formen sich an größeren Körnern, in deren Windschatten sich andere Körner ansammeln.

Der Sand, weder fest noch flüssig, aus dem man Burgen bauen und auf dem man Beachvolleyball spielen kann, hat die Forscher seitdem nicht zur Ruhe kommen lassen. Eine Forschergruppe der Universitäten Lyngby (Dänemark) und Essen untersuchte die gleichmäßigen Sandrippeln, die sich am Meeresstrand zeigen. Die Wissenschaftler um Ken Andersen und Joachim Krug füllten Sand und Wasser in einen schmalen Trog und bewegten diesen gleichmäßig hin und her. Damit wollten sie die Situation nachstellen, daß eine Welle im flachen Wasser in Strandnähe über den sandigen Meeresboden streicht oder daß der Sand eines Flußbetts an einer Mündung aufgewirbelt wird und sich wieder ablagert. Zu Beginn wurde durch Rütteln an dem Trog eine Anfangsverteilung des Sandes erzeugt.

Komplizierte Bewegungen

Die Forscher interessierten sich für die Frage, was mit dieser Anfangsverteilung passierte, wenn anschließend stärker oder weniger stark an dem Trog gerüttelt wurde. Tatsächlich bildete sich ein stabiles Muster aus Rippeln, nachdem der Trog einige tausendmal hin und her bewegt worden war. Dabei waren in manchen Fällen zunächst mehr Rippel vorhanden als zum Schluß; einige der Rippel wurden quasi von den danebenliegenden Rippeln aufgefressen. Auch die umgekehrte Situation war zu beobachten: Waren zunächst wenige Rippel vorhanden, so entstanden dazwischen neue. Wichtig war, ob der Trog große oder kleine Bewegungen ausführte, wie stark also das Wasser hin und her schwappte.

Die Bewegungen des Sandes mögen kompliziert sein - die Bewegungen von Sanddünen sind es erst recht. Im Zweiten Weltkrieg erforschte der britische Hobbyforscher Ralph Bagnold die ägyptischen Dünen. Ihm war aufgefallen, daß im Sand kein Chaos herrscht, sondern genaue geometrische Ordnung. Aber folgen windgeformte Hügel und wassergeformte Sandrippel denselben Gesetzen? Betrachten wir eine Dünenart, die immer wieder das Interesse von Forschern erregt hat: den Barchan. Das ist eine sichelförmige Einzeldüne, deren gebogene Seite gegen den Wind zeigt. Sie entsteht in Gegenden, in denen der Wind überwiegend aus einer Richtung kommt. Aus der windzugewandten Seite werden ständig Sandkörner herausgelöst und durch Turbulenzen verwirbelt, bevor sie sich an der windabgewandten Seite ablagern.

Solitonähnliches Verhalten

Dadurch bewegen sich die Dünen langsam in Richtung des Windes vorwärts, bis zu einigen Dutzend Metern im Jahr. Für ein afrikanisches Dorf, dessen Straßen und Felder von der Zerstörung bedroht sind, ist das beängstigend schnell. Für Wissenschaftler, die herausfinden möchten, auf welche Weise Dünen wandern und welche Parameter dabei eine Rolle spielen, ist es quälend langsam. Will man das Verhalten von Barchanen untersuchen, ist man auf Studien angewiesen, die sich über Jahrzehnte hinziehen können. Die Arbeit eines Physikers könnte hier Abhilfe schaffen. Veit Schwämmle von der Universität Stuttgart hat die Wanderung von Barchanen mit dem Computer simuliert und seine Ergebnisse in der Zeitschrift "Nature" veröffentlicht. Sie bestätigen, was vor Jahren an echten Dünen beobachtet wurde: Unter Umständen zeigen Barchane ein solitonähnliches Verhalten. Ein Soliton, das sich auch an Wasserwellen beobachten läßt, ist die Sonderform einer Welle, die sich weder überschlägt noch allmählich auseinanderläuft, sondern Geschwindigkeit und Form behält.

Bei den Barchanen kann dieses Verhalten dazu führen, daß die kleinere von zwei ähnlich großen Dünen scheinbar durch die größere hindurchläuft. Sie kommt schneller vorwärts und holt die größere ein, und ein Zwischenzustand aus beiden Dünen entsteht. In dem Zwischenzustand wird Sand von der größeren auf die kleinere Düne geweht. Sie wächst und wird langsamer. Der größeren Düne ergeht es umgekehrt: Sie hat schließlich so viel Sand abgegeben, daß sie schnell genug vorwärtskommt, um sich aus dem Mischzustand zu befreien.

"Baby-Barchane" und "Mutter-Düne"

Die Dünen haben also die Rollen getauscht: Die kleinere hat die größere eingeholt und aus dieser Sand aufgenommen, während die größere leichter geworden ist und jetzt der anderen Düne davonwandert. Für Beobachter sieht das so aus, als habe die kleinere Düne die größere durchquert. Bei zwei Barchanen, die sich nur wenig in ihrer Größe unterscheiden, kann es allerdings auch vorkommen, daß sie - statt einander (scheinbar) zu ignorieren - aufeinandertreffen und sich vermehren. Dann geht zunächst die kleinere Düne in der größeren auf, bevor rechts und links an den Spitzen der Sichel zwei kleine "Baby-Barchane" die "Mutter-Düne" verlassen.

Erkenntnisse über Barchane lassen sich aber auch aus Experimenten gewinnen - natürlich nicht an Dünen in Originalgröße. Eine französische Forschergruppe hat deren Entstehung nachgestellt: Die Wissenschaftler schütteten unter Wasser Sand auf ein Tablett und bewegten dieses ruckartig nach vorne und langsam wieder zurück. So wie an echten Dünen der Luftstrom die Dünen wandern läßt, waren die Körner nun vom Medium Wasser umgeben, das die Körner periodisch mit sich riß. Mit einer Unterwasserkamera beobachteten die Forscher, was im Sand vor sich ging.

Wandernde Dünen

Es entstanden tatsächlich Mini-Dünen, wenige Millimeter hoch und eine maßstabsgetreue Verkleinerung ihrer natürlichen Vorbilder. Auch die Unterwasser-Barchane begannen zu wandern, und die Wissenschaftler bestätigten anhand ihrer Beobachtungen den Mechanismus, mit dem schon Ralph Bagnold das Wandern der Dünen erklärt hatte: Der Wind, der über eine Düne strömt, löst an der flachen Seite Sandkörner aus der Oberfläche und wirbelt diese empor. Die Sandkörner fliegen eine Zeit durch die Luft und treffen dann wieder auf den ruhenden Sand, wo sie andere Körner emporstoßen, bis die Luft über der Düne mit Sandkörnern gesättigt ist und sich diese an den schon existierenden Sandhaufen anlagern.

Auch ein anderer Stoff, um den sich viele Urlaubsträume ranken, bietet physikalische Herausforderungen: das Wasser, an dem sich Wellen und Seegang studieren lassen. Die Wellen entstehen, wenn der Wind auf eine Wasserfläche bläst. Die Windenergie, die auch in Orkanböen und Wirbelstürmen ihre Zerstörungskraft zeigen kann, wird auf das Wasser übertragen. Das läßt sich im Wind-Wellen-Kanal demonstrieren. Bei Windstille ist die Wasseroberfläche spiegelglatt. Erhöht man die Windgeschwindigkeit, so kräuselt sich das Wasser von Windgeschwindigkeiten von einigen Kilometern pro Stunde an. Zum Vergleich: Windstärke 12 (Orkan) entspricht fast 120 Kilometern in der Stunde.

Monsterwellen

Anders als die Luftmoleküle legen die Wassermoleküle dabei keine großen Entfernungen zurück. Sie bewegen sich auf und ab sowie gleichzeitig vor und zurück. Sie führen also eine ellipsenförmige Bewegung - eine Orbitalbewegung - aus und geben ihren Schwung an die Moleküle weiter, die sie umgeben. Wenn diese anschließend die gleiche Auf-und-Ab-Bewegung ausführen, entsteht der Eindruck, daß sich die Welle vorwärtsbewegt. Wasserwellen gibt es in verschiedenen Ausprägungen: Leichter Wind läßt Schiffe allenfalls sanft schaukeln. Frischt der Wind auf, so überstürzen sich die Kämme nach vorn. Weiße Schaumkronen entstehen, und die Wellen beginnen zu brechen. Gischt wird durch die Luft geblasen.

Und dann gibt es die Monsterwellen. Sie sind bis zu 35 Meter hoch und sind verantwortlich für Umweltkatastrophen wie den Untergang des Tankers "Prestige" vor der spanischen Küste Ende 2002. Solche Wellen, das zeigen Satellitenbilder der europäischen Raumfahrtbehörde Esa, kommen weit häufiger vor als bisher vermutet. Daten, die Anfang 2001 innerhalb von drei Wochen aufgenommen wurden, zeigen auf der ganzen Welt mehr als zehn solcher Wellen, die zumindest 25 Meter hoch waren. Lange hatten Wissenschaftler geglaubt, solche Wellen bildeten sich nur sehr selten.

Frühwarnsystem

Nun glaubt man, die Monsterwellen seien einer der wichtigsten Gründe dafür, daß in den vergangenen zwanzig Jahren mehr als 200 Supertanker und Containerschiffe mit mehr als 200 Meter Länge gesunken sind. Derzeit werden Schiffe und Plattformen vor den Küsten so gebaut, daß sie Wellen mit einer Höhe von höchstens fünfzehn Metern standhalten könnten - offenbar muß sich daran etwas ändern.

Im Pazifik werden die Riesenwellen, die dort Tsunamis heißen, durch Beben am Meeresgrund verursacht. Wie sie in anderen Ozeanen entstehen, ist nicht ganz geklärt. Damit beschäftigen sich zum Beispiel Forscher der Technischen Universität Berlin, an den Universitäten Hamburg und Oldenburg oder am Institut für Küstenforschung in Geesthacht bei Hamburg. Dort werden Satellitenaufnahmen ausgewertet, Computerprogramme entwickelt, Radarmeßdaten verwendet. Man will Monsterwellen vorhersagen können und ein Frühwarnsystem entwickeln. Ein Krabbenfischer vor Büsum, ein Fährkapitän in der Ägäis, ein Hobby-Skipper, der das Skagerrak überquert - eines Tages werden sie der Arbeit der Wissenschaftler vielleicht ihr Leben verdanken. Der Urlauber am Strand muß sich um solche Wellen nicht kümmern - in der Regel jedenfalls nicht.