Monsterbølger I flere hundrede år har der blandt søfolk verseret rygter om skibe der bliver ramt af enorme bølger en mur af vand på 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 i løbet af de sidste 20-30 år er beretningerne dokumenteret bedre, og det har bragt forskere verden over på andre tanker. I dag er eksistensen af disse monsterbølger en fastslået kendsgerning, og man har udarbejdet de første metoder til varsling. Fra filmen The perfect Storm Skibsforlis De seneste 20 år er mere end 150 bulk carriers forlist, hvorved 1100 mennesker er omkommet. Tit er der ingen overlevende eller spor der kan pege på en forklaring. Nogle af disse skibsforlis, som man hidtil har tilskrevet dårligt sømandsskab eller skibenes ringe tilstand, skyldes sandsynligvis kæmpestore bølger - såkaldte freak eller rogue waves. På dansk har vi valgt ordet monsterbølger. 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. Historiens største eftersøgning til søs resulterede i fundet af en tom redningsbåd, der med stor kraft var blevet revet løs fra sit ophæng på skibet. Krydstogtskibet Caledonian Star, bygget til at sejle under meget barske forhold, blev i 2001 ramt af en kæmpebølge på 30 meter 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. Senest, i april 2005 slap ocean liner-en Norwegian Dawn også med skrækken. En kæmpebølge slog flere ruder ind og oversvømmede kabiner i 10. sals højde, hvorefter skibet straks måtte søge havn med sine
2000 passagerer. 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. Verdens højeste bølge I 1933 var dampskibet Ramapo på vej tværs over Stillehavet, fra Manila til San Diego, med en vind på 30 m/s 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. Den vagthavende officer vurderede ved triangulering mod mastetoppen bølgens højde til 100 fod (34 meter), målt fra bølgetop til bølgedal. Denne monsterbølge eller freak wave er den højeste bølge der nogensinde er pålideligt observeret. Hvornår er en bølge ekstremt høj? 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. Sådan en bølge er meget stejl, med et dybt trug inden bølgetoppen. I høj sø ligner bølgen en høj 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, de såkaldte three sisters. En ekstremt høj bølge er skabt af vinden. Den har startet sit liv som små krusninger på havoverfladen. Ved vindstyrke på et par meter i sekundet samler krusningerne sig i rigtige bølger. Bølgerne vokser med tiden, afhængigt af tre faktorer: a) vindstyrken, b) hvor længe vinden blæser, og c) vindens frie stræk over åbent vand (fetch). 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. Hvor hyppige er monsterbølger? Bølgehøjden måles ved at midle over et stort antal bølger (fx 1000). En enkelt, ekstremt høj bølge, syner ikke meget i det regnskab. For at finde de ekstremt høje bølger må man gå langt mere i detaljer med observationerne end hidtil. Bølgehøjderne er jævnt fordelt omkring en middelværdi - den signifikante bølgehøjde, som er middelhøjden af den højeste tredjedel af bølgerne. I stormfuldt vejr, med en sø på 12 meter, ligger de højeste bølger på 11-14 meter; de følger en såkaldt Rayleigh fordeling. Bølger på 15 meter eller mere er ikke umulige, men meget usandsynlige. En 30 meter høj bølge bør, ifølge teorien, kun forekomme én gang på 10.000 år. Men det ser ud til at monsterbølger er langt hyppigere. Jesper Skourup, DHI Water and Environment i Hørsholm, har analyseret 12 års bølgemålinger fra Gorm-feltet i Nordsøen. En bølge med dobbelt højde eller mere forekom ca. en gang hver 10. dag, altså langt hyppigere end man hidtil har antaget. Når det gælder bølger, opfører virkeligheden sig ikke helt som klassisk bølgeteori forudsiger. Det er på tide at sende teorien på værksted. Jordskælvsbølgen Et andet af havets monstre er tsunami'en - jordskælvsbølgen, som i december 2004 ramte det indiske ocean. Tsunami'en er en helt anden bølgetype end den monsterbølgen. Den opstår som følge af et undersøisk jordskælv, og bevæger sig med ufattelig hastighed, op til 700 km/t, ude på det dybe ocean. Bølgen er flere hundrede km lang, dvs. 100-1000 gange længere end bølger skabt af vinden. Til gengæld er den højst ca. en meter høj, så i åbent hav passerer en tsunami upåagtet forbi. Først når den kommer ind på grundt vand bliver bølgen stejl, den tårner sig op til 10-15 meters højde, og vælter ind over kysten.
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. 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 Bølgeteori Bølgehøjde er nært forbundet med bølgeenergi. Jo mere energi, jo højere bølger. Bølgerne optager energi fra vinden, og energien fordeles ud på bølger med forskellig periode og retning. Det giver havoverfladen et kaotisk udseende. Bølgeenergien spredes ud over et større og større område ved dispersion - det er en af grundene til at bølgerne dør ud sammen med vinden. Men der er også mekanismer der kan opkoncentrere 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, kendt fra andre grene af fysikken som kaos, vokser bølgen groft sagt endnu højere op ved et tilfælde. Ved selvfokusering '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. Al Osborne fra universitetet i Torino er en af de førende forskere indenfor dette specielle felt af bølgeteori. Osborne har arbejdet videre med den såkaldte Schrødinger-ligning, der normalt bruges til at beskrive atomare energiforhold. Brugen af kvantemekaniske begreber indenfor 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 udregninger. Bølgemåling ved Draupner platformen, nytårsdag 1995. Bølgehøjden er afstanden fra bølgetop til bølgedal. Forudsigelser Den daglige vejrudsigt giver os en vindprognose for de kommende dage. Måden hvorpå vinden danner bølger på havoverfladen er så godt forstået, at man direkte 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 til skibstrafikkens rutevejledning, som prognoser for hvor og hvornår bølgerne vil blive særligt store. Bølgemodeller En bølgemodel består af et budget for den spektrale bølgeenergi. Havet optager energi fra vinden, og omsætter det til bølger. Energien tabes igen når bølger brydes. Modellen regner ud 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 regner bølgeenergien ud 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 ca. 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. Men dagens metoder er slet ikke gearet til at forudsige enkeltstående bølger. En bølgemodel er stokastisk, og den kan ikke forklare eller forudsige eksistensen af kæmpebølgerne. Den beregner en statistisk middeltilstand, ikke de enkelte bølgetoppe, hvilket jo netop er hvad der er interessant i denne sammenhæng. Benjamin-Feir indekset Ved ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasting) i England beregner man
sandsynligheden for at monsterbølger bliver dannet, ved at analysere bølgespektrets form i detaljer. Man antager, at hvis spektret begynder at blive meget spidst, eller hvis bølgerne kommer fra 3-4 forskellige retninger på samme tid, øges risikoen for at en enkelt bølge vokser op over alle de øvrige. Benjamin-Feir indekset beskriver hvor meget bølgespektret på denne måde afviger fra det normale på et givet sted ECMWF prognose for signifikant bølgehøjde (tv) og Benjamin-Feir indeks (th). Hvor indekset er større end 0.5 kan der opstå freak waves. Kilde: DMI. Breaking the waves For at knække problemet med monsterbølger har det været nødvendigt med en koncentreret indsats. Det EU-finansierede forskningsprojekt MAXWAVE går ud på at observere og eventuelt forudsige kæmpebølger. Man vil bruge satellit og skibsradar til at finde afvigelser fra den klassiske Rayleighfordeling af bølgehøjder, og forhåbentlig identificere 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 er praktisk anvendelig - men alt dette er endnu på forsøgsstadiet. Rutevejledning Vind- og bølgeprognosen bliver benyttet til rutevejledning, hvor man udstikker en hurtig, billig og sikker rute for oceangående skibe. Her indgår vurdering af risiko for monsterbølger i dag som et supplement til højden af de 'normale' bølger, ved planlægningen af sejlruterne. Rutevejledning er et af de mest rentable tiltag som kan øge sikkerheden for skibe. Ved at tage højde for de meteorologiske og oceanografiske forhold, nedsætter man risikoen ved en oceanpassage betydeligt. I dag bruger man Benjamin-Feir indekset til at vurdere risikoen for freak waves. En Formal Safety Assessment undersøgelse for bulk carriers fremlagt i IMO sidste år, konkluderede at anvendelse af rutevejledning var blandt de absolut 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.