twitter google+ facebook

Monsterbølger

Fra filmen The Perfect Storm

I flere hundrede år har der blandt søfolk verseret rygter om skibe, der bliver ramt af enorme bølger – en mur af vand på 10, 20 eller 30 meter, der pludselig rejser sig af havet og smadrer alt på sin vej. Den slags fortællinger blev længe anset for en blanding af fri fantasi og overdrivelser på linje med historier om søuhyrer. Men siden 1980’erne er beretningerne blevet dokumenteret bedre blandt andet med brug af data fra satellitter. Det har bragt forskere verden over på andre tanker. I dag er eksistensen af disse monsterbølger en fastslået kendsgerning, man er begyndt at forstå, hvordan de opstår, og man har udarbejdet de første metoder til varsling af dem.

Risikoen for at blive ramt af sådan en enkelt, kæmpestor bølge kan få betydning for fremtidens designkriterier, både for oceangående skibe og for off-shore konstruktioner som fx boreplatforme.

Skibsforlis

Nogle skibsforlis, som man hidtil har tilskrevet dårligt sømandskab eller skibenes ringe tilstand, skyldes sandsynligvis kæmpestore bølger - såkaldte freak eller rogue waves. På dansk har vi valgt ordet monsterbølger. Tit er der ingen overlevende eller spor, der kan pege på en forklaring.

Det nybyggede og topmoderne fragtskib München udsendte i 1978 Mayday fra midt i Atlanten for derefter at forsvinde sporløst med hele sin 27 mand store besætning. Sporløst forsvundet - næsten. Efter en omfattende eftersøgning fandt man en tom redningsbåd, der med stor kraft var blevet revet løs fra sit ophæng på skibet. Det var det hele.

Krydstogtskibet Caledonian Star, bygget til at sejle under meget barske forhold, blev i 2001 ramt af en kæmpebølge under en storm i Sydhavet. Broen blev totalt oversvømmet, og skibet blev meget alvorligt medtaget. Men motoren fungerede, og skibet kunne sejle til nærmeste havn.

Krydstogtskibet Norwegian Dawn

I april 2005 slap oceanlineren Norwegian Dawn også med skrækken. Den sejldede ud for USA’s østkyst, da en kæmpebølge slog flere ruder ind og oversvømmede kabiner op til 10. dæksniveau, hvorefter skibet straks måtte søge havn med sine 2000 passagerer.

Verdens højeste bølge

I 1933 var dampskibet Ramapo på vej tværs over Stillehavet fra Manila til San Diego med i vindstyrke 11, 30 m/sek i ryggen. Efter en uge nåede bølgerne op på 15 meter. Pludselig blev skibet ramt bagfra, sank ned i et dybt trug og red derpå med stævnen først op over et bjerg af skum. Bølgehøjden blev vurderet til at have været 100 fod, hvilket svarer til cirka 34 meter. Denne monsterbølge eller freak wave er den højeste sø, der er nogenlunde pålideligt observeret.

Det dobbelte af de omgivende bølger

Vi kalder, som en tommelfingerregel, en bølge ekstrem, hvis den er mere end dobbelt så høj som de omgivende bølger. I en sø på 1 meter er bølgen ekstremt høj, hvis den er mere end 2 meter. Hvis søen er 10 meter, er monsterbølger 20 meter høje eller mere. 

Mens monsterbølgen adskiller sig fra omgivelserne ved sin højde, gør den det ikke ved sin længde. Afstanden fra bølgetop til bølgedal er omtrent som for normale bølger. Derfor bliver monsterbølger meget stejle.

I høj sø ligner bølgen en mur af vand, der pludseligt rejser sig fra havet for derefter lige så pludseligt at forsvinde igen. Ifølge nogle beretninger kan monsterbølger komme i grupper på tre bølger.

Den første bølge kan skibet måske klare, men det tager tid, før vandet er strømmet af dækket, og før skibet er rettet op igen. Inden det sker, rammer bølge nummer to. Nu er skibet at sammenligne med en halvgroggy bokser, der bare kan stå og vente på dødsstødet.

Bølger på havet

Bølger på havet starter deres liv som små krusninger på havoverfladen. Ved vindstyrke på et par meter i sekundet samler krusningerne sig i rigtige bølger, som vokser med tiden, afhængigt af tre faktorer:

  • vindstyrken
  • hvor længe vinden blæser
  • vindens frie stræk over åbent vand.

En orkan, der blæser med vindstyrke 12 over hele Stillehavets bredde, skaber i løbet af en time bølger på 4 meter. Efter 12 timer er bølgerne vokset til 14 meter, og venter man længe nok, vil bølgerne vokse til en højde på 21 meter – omtrent som et 7-etagers hus. Herefter vokser bølgerne ikke mere, fordi den energi, de modtager fra vinden, mistes i samme takt, ved at bølgerne brydes.

Hyppigere i virkeligheden end i teorien

Bølgehøjden måles ved at beregne middelværdien for højden af et stort antal bølger (fx 1000). Bølgehøjderne er jævnt fordelt omkring en middelværdi - den signifikante bølgehøjde, som er middelhøjden af den højeste tredjedel af bølgerne. I stormfuldt vejr ligger den højeste trediedel af bølgene på fx 11-14 meter, hvilket svarer til en signifikant bølgehøjde på cirka 12 meter. En enkelt bølge, der er dobbelt så stor, syner ikke meget i det regnskab. En sådan bølge bør ifølge teorien kun forekomme én gang i løbet af cirka 10.000 år.

Men det ser ud til at monsterbølger faktisk er langt hyppigere. På instituttet DHI Water and Environment i Hørsholm, har man analyseret 12 års bølgemålinger fra Gorm-feltet i Nordsøen. En bølge med dobbelt højde eller mere forekom cirka en gang hver 10. dag, altså langt hyppigere end man hidtil har antaget. Når det gælder bølger, opfører virkeligheden sig altså ikke helt, som klassisk bølgeteori forudsiger.

Billede taget af Philippe Lijour, ombord på olietankeren Esso Languedoc ud for Durban ved Sydafrikas kyst (1980). Søen var 5-10 meter høj, og bølgen, som brød bagfra hen over dækket, kan sammenlignes med den 25 meter høje mast på styrbords side.

Kraftige havstrømme

Monsterbølger opstår hyppigere i nogle dele af verdenshavene end i andre. Områder omkring Golfstrømmen, Aghulasstrømmen langs Afrikas sydøstkyst, Kuroshiostrømmen ved Japans Stillehavskyst og rundt Kap Horn er særligt udsatte for kæmpebølger. I de kraftige havstrømme kan der skabes meget stejle bølger. Når vinden blæser modstrøms bremses bølgerne op af havstrømmen, og derved bliver de stejlere og højere.

Bølgeteori

En bølges højde er nært forbundet med dens energi. Jo højere bølger, jo mere energi. Bølgerne optager energi fra vinden, og energien fordeles ud på bølger med forskellig periode og retning. Det giver havoverfladen et kaotisk udseende. Når bølgerne overlades til sig selv, spredes bølgeenergien ud over et større og større område. Det er en af grundene til, at bølgerne dør ud sammen med vinden.

Men der er også mekanismer, der kan koncentrere bølgeenergien på et givet sted. Det kan, som vi har set ovenfor, ske i kraftige havstrømme, men også andre steder. Flere steder ud for Norges kyst kan særlige bundforhold fokusere bølgernes energi, så bølgerne bliver ekstra høje.

Monsterbølger kan også opstå ved tilfældighedernes spil. Når to eller flere bølger mødes, bliver den samlede bølgeenergi normalt summen af de enkelte bølgers energi. Ved ikke-lineær instabilitet (et fænomen beskrevet inden for kaosteorier) vokser bølgen groft sagt endnu højere op ved et tilfælde. Ved selv-fokusering 'suger' en enkelt bølge energi til sig fra de omgivende bølger og samler derved energien på et lille område. Begge mekanismer er stærkt ikke-lineære, og i modsætning til den normale situation, kan bølgerne her blive endnu højere end summen af enkeltdelene.

Bølgemåling ved Draupner platformen, nytårsdag 1995. Bølgehøjden er afstanden fra bølgetop til bølgedal. Den signifikante bølgehøjde er cirka 12 meter, men den enkelte abnormt høje bølge måler cirka 26 meter fra bølgetop til bølgedal.

En førende forsker inden for bølgeteori fra universitetet i Torino, Al Osborne, har arbejdet videre med den såkaldte Schrødinger-ligning, der normalt bruges til at beskrive atomare energiforhold. Brugen af kvantemekaniske begreber inden for oceanografien er ikke alment accepteret som den rette vej at gå, men teorien har haft mindst én succes. Nytårsdag 1995 lykkedes det for første gang at observere en kæmpebølge med moderne teknik. Under en storm med 12 meter høje bølger blev den norske boreplatform Draupner i Nordsøen ramt af en 26 meter høj kæmpebølge, der blev observeret nøje med laserteknik. Den var meget stejl, og formen passede nøjagtigt med Osbornes beregninger.

Forudsigelser

Den daglige vejrudsigt giver os en vindprognose for de kommende dage. Man bruger vindprognosen til at beregne, hvor høje bølgerne vil blive på et givet sted. Hvis vejrudsigten er god, bliver den beregnede bølgehøjde næsten altid korrekt. Bølgehøjden bliver anvendt i rutevejledning for skibstrafikken. Skibe bliver dirigeret uden om områder, hvor de skal arbejde sig mod vinden, eller hvor søen er for hård for det pågældende skib.

Bølgemodeller

Havet optager energi fra vinden og omsætter den til bølger. Energien tabes igen, når bølgerne brydes. Modellen beregner, hvordan energien flyttes rundt mellem bølger med forskellig periode og retning, dels ved at bølger vekselvirker med hinanden, og dels ved vekselvirkning med havstrøm og havbund.

En typisk bølgemodel beregner bølgeenergien for 25-30 forskellige perioder (fx fra 0.5-20 sekunder), og for 12-24 kompasretninger. I hvert punkt, hvor man vil kende havets tilstand, giver det cirka 500 bidrag til den samlede bølgeenergi. Dette kaldes et bølgespektrum. Ud fra bølgespektret, altså energiens fordeling på de forskellige bølgeretninger og -perioder, beregner man bl.a. signifikant bølgehøjde, middel bølgeperiode, og højde og retning af dønning.

Denne metode beregner en statistisk middeltilstand. Den er ikke egnet til at forudsige højden af enkelte kæmpebølger.

Prognose for signifikant bølgehøjde (tv) og Benjamin-Feir indeks (th). Hvor indekset er større end 0,5, er der forhøjet risiko for freak waves. Kilde: DMI.

Benjamin-Feir indekset

Benjamin-Feir indekset beskriver, hvor meget bølgespektret på denne måde afviger fra det normale på et givet sted. Teorien går ud på, at hvis spektret afviger på en bestemt måde fra ”det normale”, har vi en forhøjet risiko for, at en enkelt bølge kan vokse op over alle de øvrige.

Breaking the waves

Det EU-finansierede forskningsprojekt MAXWAVE under European Space Agency gik ud på at observere og eventuelt forudsige kæmpebølger. Ved brug af data fra satellit og skibsradar finder man afvigelser fra bølgehøjdernes ”normale” fordeling og identificerer de trods alt ret sjældne freak waves. Hvis det lykkes at observere kæmpebølgerne, vil man straks advare skibe i området, så de har en chance for at styre fri af faren. Det næste skridt er at søge efter kendetegn i observationerne, der kan bruges som forvarsel. Man skal behandle og fortolke kolossale mængder af data på kort tid, for at denne form for varsling kan blive praktisk anvendelig, så alt dette er endnu på forsøgsstadiet.

Rentabel rutevejledning

Vind- og bølgeprognosen benyttes i forbindelse med rutevejledning for oceangående skibe, hvor man udstikker en hurtig, billig og sikker rute mellem to destinationer.

Rutevejledning er et af de mest rentable tiltag, som kan øge sikkerheden for skibe.

Worldwide Weatherrouteing ved Danmarks Meteorologiske Institut har da også kunnet mærke en stærkt stigende efterspørgsel på global rutevejledning.

Ved at tage højde for de meteorologiske og oceanografiske forhold nedsætter man risikoen under sejladsen over et ocean betydeligt. Vurdering af risikoen for monsterbølger ved brug af Benjamin-Feir indekset udgør et supplement til prognosen for højden af de 'normale' bølger i rutevejledningen.

Af Jacob Woge

© DMI, 21. december 2012