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Sind Monsterwellen vorhersagbar?

03.06.2015

Eine vergleichende Analyse von Monsterwellen in verschiedenen physikalischen Systemen kommt zu der überraschenden Schlussfolgerung, dass diese seltenen Ereignisse keineswegs immer komplett unvorhersehbar sind.

Meteorologische Ereignisse erweisen sich sehr oft als unberechenbar; ein „Jahrhundertsturm“ wird manchmal schon im folgenden Jahr übertroffen. Entstehende Versicherungsschäden erweisen sich oft als jenseits jedweder statistischen Erwartung. Derartige Ereignisse unterliegen einer statistischen Extremwertverteilung, in der außerordentliche Ereignisse sehr viel häufiger auftreten, als dies selbst eine langjährige Analyse eher normaler Ereignisse erwarten ließe.


Schnappschuss einer Monsterwelle in Multifilamenten, aufgenommen in einer Xenonzelle bei 60facher kritischer Leistung für die Filamentation.

Bild: MBI


Detail des Farbholzschnitts „Die große Welle vor Kanagawa“ von Katsushika Hokusai, der oft als die Darstellung einer Monsterwelle auf dem Meer diskutiert wurde.

Ein prominentes Beispiel für komplett unvorhersehbare Ereignisse sind sogenannte Monsterwellen (auch bekannt als Kaventsmänner) auf dem Ozean. Diese Wellen mögen sehr selten sein, wenn sie aber ein Schiff treffen, treten massive Schäden an der Schiffshülle auf, die bis zum Untergang des Schiffes führen können.

Die genauen Ursachen solcher Monsterwellen sind immer noch umstritten und es ist unklar ob man sie vorhersagen kann. Kann man vielleicht in irgendeiner Form eine Warnung in letzter Minute oder Sekunde aus den aufgezeichneten Wellenmustern ableiten? Gibt es charakteristische Wellenmuster, die eine Monsterwelle ankündigen? Es gibt leider nur sehr wenige Datensätze von Ozeanmonsterwellen, aber es gibt jedoch einige analoge Systeme in der Optik, die ein qualitativ ähnliches Verhalten aufweisen.

Hier setzt die Arbeit von Simon Birkholz und Mitarbeitern an. Basierend auf den Daten dreier verschiedener Extremereignisse wurde eine genaue Analyse der Vorhersehbarkeit und der Vorbestimmtheit für den jeweiligen Fall durchgeführt.

Hier flossen Daten der berühmten Neujahrswelle 1995 auf der Draupner-Ölplattform ein, optische Messdaten der Gruppe um Bahram Jallali an der University of California at Los Angeles und extreme Ereignisse in nichtlinearen Multifilamenten, die am Max-Born-Institut in Berlin gemessen wurden. Im Multifilamentsystem sind Monsterwellen als kurze Lichtblitze im Strahlprofil unmittelbar beobachtbar. Die Wellenhöhe im Ozean entspricht dabei also der Lichtintensität in den optischen Systemen.

Das erstaunliche Ergebnis dieser vergleichenden Analyse ist, dass Monsterwellen in manchen Systemen durchaus vorhersehbar sind, in anderen aber komplett zufällig und damit auch unvorhersehbar sind. Eine Extremwertstatistik an sich erlaubt daher keine Rückschlüsse auf die Vorhersehbarkeit des Systems. Eine besondere Rolle nehmen hier die Ozeanwellen ein.

Anders als bisher angenommen, sind Monsterwellen nicht komplett zufälliger Natur. Es ist daher unwahr, dass Monsterwellen „aus dem Nichts erscheinen und ohne eine Spur wieder verschwinden“, wie oft behauptet wurde. Nichtsdestotrotz ist eine praktische Vorhersage noch weit entfernt und mag bestenfalls eine Warnung in allerletzter Minute vor diesen „Tiefseemonstern“ ermöglichen.

Originalpublikation: Physical Review Letters 114, 213901 Predictability of Rogue Events,
Simon Birkholz, Carsten Brée, Ayhan Demircan, and Günter Steinmeyer (Editor’s suggestion)

Ansprechpartner:
Dr. Günter Steinmeyer
Max-Born-Institut (MBI)
Max-Born-Str. 2A, 12489 Berlin
Tel.: 030 / 6392-1440
steinmey@mbi-berlin.de

Simon Birkholz
Tel.: 030 / 6392 1448
birkholz@mbi-berlin.de

Bildtext: Schnappschuss einer Monsterwelle in Multifilamenten, aufgenommen in einer Xenonzelle bei 60facher kritischer Leistung für die Filamentation. Gezeigt ist die optische Fluenz als Funktion der Position auf dem optischen Detektor.

Das Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), einem Zusammenschluss von acht natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Instituten in Berlin. In ihnen arbeiten mehr als 1.500 Mitarbeiter. Die vielfach ausgezeichneten Einrichtungen sind Mitglieder der Leibniz-Gemeinschaft. Entstanden ist der Forschungsverbund 1992 in einer einzigartigen historischen Situation aus der ehemaligen Akademie der Wissenschaften der DDR.

Weitere Informationen:

http://www.mbi-berlin.de

Karl-Heinz Karisch | Forschungsverbund Berlin e.V.

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