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Satelliten erfassen die Stärke des Meeresschwellens: Wellen bis zu 20 m, transozeanischer Pfad und neue SWOT- und Sentinel-6-Messungen

Die neuesten Satellitenbeobachtungen zeigen, wie die lange Meereswelle Sturmenergie für Tausende von Kilometern überträgt: Wellen von etwa 20 Metern werden aufgezeichnet, die Routenverfolgung vom Nordpazifik über die Drake-Passage zum tropischen Atlantik und Modellkorrekturen, die höhere Energiekonzentrationen in dominanten Wellen bestätigen, wobei SWOT- und Sentinel-6-Missionen eine Schlüsselrolle für schnellere und genauere Küstenvorhersagen spielen

Satelliten erfassen die Stärke des Meeresschwellens: Wellen bis zu 20 m, transozeanischer Pfad und neue SWOT- und Sentinel-6-Messungen

Satelliten haben in den letzten Jahren ein völlig neues Kapitel im Verständnis von Wellen auf den Weltmeeren aufgeschlagen. Die neuesten Messungen zeigen, dass während starker Winterstürme auf der Nordhalbkugel Wellen aufgezeichnet wurden, deren signifikante Höhe im Durchschnitt bis zu etwa 20 Meter beträgt – eine Höhe, die mit dem Pariser Arc de Triomphe vergleichbar ist. Eine weitaus wichtigere Botschaft verbirgt sich jedoch in der Art und Weise, wie sich die Energie dieser Wellen ausbreitet: Ein langer ozeanischer swell reist Tausende von Kilometern von seinem Ursprung und bringt als unsichtbarer Bote zerstörerische Energie an Küsten, die der Sturm nie berührt hat. Durch den Vergleich neuer Satellitenbilder mit jahrzehntealten Aufzeichnungen über den Seegang haben Wissenschaftler Muster identifiziert, die eine frühzeitige Erkennung solcher Ereignisse und genauere Risikobewertungen für Küstengemeinden und -infrastrukturen ermöglichen.


Wellen, Wind und lange Perioden: Die Physik, die Sturm und Küste verbindet


Wellen entstehen durch die Einwirkung von Wind auf die Meeresoberfläche. Während eines Sturms ist das Meer mit einer Mischung aus verschiedenen Wellenlängen und Richtungen gefüllt – dem sogenannten Windsee. Wenn sich das System verlagert oder abschwächt, treten die geordneteren, längeren Wellen, die den swell ausmachen, in den Vordergrund. Gerade diese langen Perioden – zum Beispiel 18, 20 oder mehr Sekunden zwischen zwei Wellenkämmen – sind der Schlüssel zum Verständnis des Ausmaßes und der Stärke des Ursprungssturms. Lange Wellen streuen weniger, breiten sich schneller aus und überleben länger, sodass ihre „Signale“ weit über die Reichweite des Windes hinausreichen, der sie erzeugt hat. An der Küste äußert sich dies als plötzliches Auftreten hoher, langer Wellen und verstärktes Brechen in flachen Gebieten, selbst wenn die lokalen Winde schwach oder variabel sind.


Die neue Satellitenära: SWOT und die Kontinuität europäischer Altimetriemissionen


Ein Durchbruch bei der Erkennung von Swell kam mit der Mission SWOT (Surface Water and Ocean Topography), die klassische Radaraltimetrie mit einer breitbandigen (wide-swath) Bildgebung kombiniert. Anstatt ausschließlich in einem schmalen Streifen unter dem Satelliten zu messen, kartiert SWOT die zweidimensionale „Topographie“ der Meeresoberfläche und erfasst so die räumlichen Muster der langen Wellen, ihre Höhe, Wellenlänge und Ausbreitungsrichtung. Diese neue Geometrie baut auf jahrzehntelangen Altimetrieserien auf, die von Missionen wie Jason-3, SARAL, CryoSat, Sentinel-3A/B, CFOSAT und Sentinel-6 gesammelt und in Systemen für Klima und operative Vorhersage zusammengefasst wurden. Bei der Europäischen Weltraumorganisation wird diese kontinuierliche Aufzeichnung des Seegangs im Rahmen von Initiativen entwickelt, die sich den „sea state“-Variablen widmen – einer statistischen Beschreibung des Wellenklimas, die Wellenhöhen, Perioden und Richtungen umfasst.


Rekord-Episode: Sturm „Eddie“ und die Reise des Swells über zwei Ozeane


Eine der beeindruckendsten Darstellungen dieser neuen Fähigkeit wurde am 21. Dezember 2024 aufgezeichnet, als SWOT den nördlichen Pazifik während des Höhepunkts eines Sturms überflog, den die Forscher „Eddie“ nannten. Die Analyse zeigte signifikante Wellenhöhen von ~20 Metern im offenen Ozean und ermöglichte eine präzise Verfolgung, wie die Energie des Sturms, in langen Swell umgewandelt, ihre Reise durch die Drake Passage bis zum tropischen Atlantik fortsetzte – im Zeitraum vom 21. Dezember 2024 bis zum 6. Januar 2025. Ein solcher transozeanischer Swell-„Strahl“ verband visuell und quantitativ weit entfernte Küsten mit dem Ursprung des Sturms und bestätigte in Echtzeit, was Modelle und frühere Messungen nur angedeutet hatten: dass lange Wellen als Boten fungieren, lange bevor lokale Wind- oder Luftdruckvorhersagen eine Gefahr signalisieren.


Warum diese Episode wissenschaftlich wichtig ist


Das Messen extrem großer Wellen aus dem Weltraum war viele Jahre lang eine Herausforderung aufgrund der begrenzten räumlichen Auflösung und seltener Überflüge. Das breite „Netz“ von SWOT und die Synthese mit mehrjährigen Produkten der Europäischen Weltraumorganisation (CCI Sea State) ermöglichten es zum ersten Mal, Wellenfelder systematisch in den Momenten zu beobachten, in denen sich die Energie gerade erst zu langem Swell „organisierte“. Dadurch erhielten Forscher direkte, beobachtete Werte zur Validierung numerischer Wellenmodelle unter extremen Bedingungen, was entscheidend für die Korrektur von Energieberechnungen und Risikobewertungen ist. Im Gegensatz zu Punktmessungen von Bojen oder Schiffen bieten Breitbandkarten ein kohärentes Bild davon, wie sich Energie zwischen den Wellenlängen verlagert, während die Wellen über die Ozeane reisen.


Korrektur eines alten Verständnisses: Die längsten Wellen tragen weniger Energie, als man dachte


Basierend auf einem Vergleich eines breiten Spektrums von Satellitenmissionen und neuen SWOT-Bildern haben Wissenschaftler festgestellt, dass traditionelle Modelle die Energie in sehr langen Wellen systematisch überschätzten. Obwohl lange Wellen bei der Übertragung von Informationen über einen Sturm über große Entfernungen außerordentlich effizient sind, stellte sich heraus, dass sich der wirklich größte Teil der Energie in den dominanten „Spitzen“-Wellen innerhalb des Sturmfeldes konzentriert. Diese nuancierte Verteilung – weniger Energie im längsten Ende, mehr im Hauptgipfel des Spektrums – verändert die erwarteten Mechanismen der Belastung von Küstenstrukturen und die feinen Details in den Berechnungen von Wellenschlägen, der Anhebung des Meeresspiegels durch Wellen (wave setup) und der Küstenerosion.


Lektionen aus der Geschichte: Der Winter 2013/2014 und Sturm Hercules


Zum Vergleich und zur Kalibrierung des Risikos wird oft die Wintersaison 2013/2014 genannt, als eine Reihe starker Wirbelstürme den nordöstlichen Atlantik traf. Unter ihnen stach die Episode namens „Hercules“ hervor, der Wellenhöhen von über 20 Metern und weit verbreitete Schäden von Marokko bis Irland zugeschrieben werden. Zu dieser Zeit kam es zu Überschwemmungen in Teilen der marokkanischen Atlantikküste, es wurden Schäden an Tourismus- und Hafenanlagen verzeichnet und irische und französische Strände erlitten Erosion und die Verlagerung riesiger Mengen an Sedimenten. Jüngste Studien zu dieser Winterserie zeigen, wie die Kombination aus längeren Perioden, höheren Wellen und der atlantischen synoptischen Situation Bedingungen für extreme Ereignisse schafft, die Tage, nicht Stunden andauern, sodass jede zusätzliche Präzision in der Vorhersage von großem praktischem Wert ist.


Wie Satelliten eine Welle „sehen“: Vom Impuls zur Statistik


Die Grundlage moderner Produkte zur Wellenhöhe ist die Radaraltimetrie. Instrumente wie Poseidon-4 auf der Mission Sentinel-6 Michael Freilich senden Mikrowellenimpulse zum Meer und messen die Rückkehrzeit. Die Breite und Form des zurückkehrenden Signals offenbart die Rauheit der Oberfläche, woraus die signifikante Wellenhöhe (ein statistisches Maß, das die Höhe des „oberen Drittels“ der Wellen beschreibt) berechnet und andere Parameter, einschließlich der Windgeschwindigkeit, geschätzt werden. SWOT führt eine entscheidende Neuerung ein: ein interferometrisches Radar mit zwei Antennen und einem weiten Sichtfeld, das die zweidimensionale Kartierung der Meeresoberfläche und die Erfassung längerer Wellenlängen ermöglicht, die frühere Sensoren oft übersehen haben. Diese Geometrie schafft eine Verbindung zwischen den Wellenmustern und dem Sturmursprung, was letztendlich die Zuordnung und Frühwarnung erleichtert.


Wenn weit entfernter Swell zu einem lokalen Problem wird


Selbst wenn sich ein Sturm dem Land nicht nähert, können lange Wellen Schäden verursachen. An bestimmten Küstentypen, insbesondere dort, wo die Konfiguration des Meeresbodens und der Küstenlinie als „Verstärker“ wirkt, können Wellen mit Perioden von 16–22 Sekunden ein ungewöhnlich starkes Brechen, plötzliche Überflutungen von Niederungsgebieten und Schäden an Stegen, Wellenbrechern und Promenaden verursachen. Wenn sie gleichzeitig mit einer hohen astronomischen Flut oder einem Anstieg des mittleren Meeresspiegels auftreten, vervielfachen sich die Effekte. Küstenschutzsysteme verwenden daher zunehmend eine Kombination aus Satellitenkarten, Messungen von Wellenbojen und lokalen numerischen Modellen, um gezielte Empfehlungen auszusprechen: vorübergehende Schließungen von exponierten Promenaden, Warnungen an Surfer und Taucher, Umleitung des Schiffsverkehrs oder Verschiebung von Arbeiten an Küstenbauwerken.


Was „signifikante Wellenhöhe“ bedeutet und warum die Periode die Wahrnehmung des Risikos ändert


Im Alltag werden oft „Fünf-Meter-Wellen“ erwähnt, aber Experten verwenden in der Regel die signifikante Wellenhöhe (Hs) und die Periode (T). Zwei Wellen gleicher Höhe, aber unterschiedlicher Periode, haben eine völlig andere mechanische Wirkung auf Strukturen und die Küste. Eine längere Periode bedeutet eine größere Orbitalgeschwindigkeit der Wasserteilchen und ein tieferes Eindringen der Wellenenergie zum Grund, sodass das Brechen dramatischer sein kann, mit größerer horizontaler Reichweite des Wasseraufpralls. Genau aus diesem Grund messen moderne Dienste der Vorhersage der Periode und Richtung des Swells eine große Bedeutung bei und nicht nur der Höhe. Im Kontext der Schifffahrt bedeutet dies auch eine andere Bewertung des Komforts und der Sicherheit der Navigation: Segelboote, Schlepper und große Handelsschiffe reagieren unterschiedlich auf Kombinationen von Höhe und Periode, sodass Routen und Geschwindigkeiten entsprechend dem Spektrum, das „kommt“, und nicht nur der lokalen Windvorhersage optimiert werden können.


Von der Wissenschaft zum Dienst: Wie Beobachtungen in Vorhersagen umgesetzt werden


Daten aus Altimetriemissionen fließen in operative Wellenmodelle ein, die täglich in der Seefahrt, Fischerei und im Küstenmanagement verwendet werden. Sentinel-6 liefert eine Referenzreihe für die Meeresspiegelhöhe und zuverlässige Schätzungen der signifikanten Wellenhöhe und der Windgeschwindigkeit nahezu in Echtzeit, während SWOT und andere Missionen das Bild mit räumlichen Karten des Swells ergänzen. Wenn diese Daten mit Messungen von Bojen, Küstenradaren und lokalen Modellen kombiniert werden, erhält man eine ausreichend präzise Vorhersage, um beispielsweise Häfen und Reedereien im Voraus vorzubereiten, Arbeitsplätze auf See zu sichern oder den Zugang zu gefährlichen Zonen an Stränden einzuschränken.


Beispiel einer transozeanischen Sequenz: vom Nordpazifik zum tropischen Atlantik


Die Verfolgung des Sturms „Eddie“ zeigte, wie sich der Energiekern des Sturms in einen langen Swell verwandelte, der etwa 24.000 Kilometer zurücklegte: zuerst nach Südosten und Süden des Pazifiks, dann durch die Drake Passage und schließlich in den tropischen Atlantik. Auf dieser Reise werden die Wellen allmählich „gereinigt“: Längere Wellenkomponenten kommen zuerst an, kürzere kommen später und streuen schneller. In der Praxis bedeutet dies, dass Behörden in Regionen, die Tausende von Kilometern vom Ursprung entfernt sind, anhand von Satellitenkarten und Modellen die Ankunftszeit und Intensität des Swells mehrere Tage im Voraus abschätzen und Küstenschutzmaßnahmen vorbereiten können, einschließlich vorübergehender Verbote für kleinere Schiffe, in empfindliche Häfen einzulaufen.


Klimakontext: Trends, aber auch die Einschränkungen der Statistik


Die Frage, ob sich die Häufigkeit und Intensität großer Stürme mit dem Klimawandel ändert, ist berechtigt und häufig. Dank jahrzehntelanger Aufzeichnungen (ab 1991) können wir Veränderungen im Wellenklima verfolgen, aber der Nachweis von Trends bei Extremen erfordert sehr lange Reihen, da die heftigsten Episoden selten auftreten, ungefähr einmal pro Jahrzehnt. Forscher kombinieren daher längere Satellitenreihen mit Windreanalysen und regionalen Messungen, um den Einfluss der Klimaerwärmung von der natürlichen Variabilität zu trennen. Darüber hinaus bestimmen die Geometrie des Bodens und die lokale Morphodynamik der Küste oft entscheidend die Wellensituation an einem Mikrolokation, sodass für jede Küste eine separate Bewertung der Empfindlichkeit und des Risikos erforderlich ist.


Lektionen für Küstenprojekte, Wellenenergie und Sicherheit auf See


Für die Planung von Schutzwänden, Wellenbrechern und Molen, aber auch für die Planung von Offshore-Windparks und Wellenkraftwerken ist die Energieverteilung im Spektrum ein entscheidender Punkt. Wenn mehr Energie im dominanten Spitzenwert des Spektrums konzentriert ist als im sehr langen Ende, müssen Strukturen und Betriebsabläufe an die intensivsten Aufprallereignisse und nicht an den „Durchschnitt“ angepasst werden. Dies impliziert unterschiedliche Kriterien für vorübergehende Hafenschließungen, unterschiedliche Sicherheitszonen um Arbeitsplätze auf See und vorsichtigere Verfahren beim Anlegen während langperiodischer Episoden. Für Fischer, Tourismusanbieter und Organisatoren von Sportveranstaltungen auf Wellen ist ein zuverlässiges Signal über die Periode und Richtung des Swells oft wichtiger als die Höhe selbst.


Was bis Ende 2025 und danach folgt


Während sich die Missionen ergänzen – wobei Sentinel-6B das Zepter übernimmt und routinemäßige SWOT-Überflüge stattfinden –, wird eine noch detailliertere Kartierung des Swells erwartet, einschließlich Wellen mit einer Höhe von nur wenigen Zentimetern und Wellenlängen von bis zu etwa 1400 Metern, die frühere Sensoren oft übersehen haben. Eine kontinuierliche, missionenübergreifende Überprüfung der Modelle in Extremen sollte präzisere Vorhersagen für ein bis zwei Tage im Voraus, aber auch zuverlässigere Statistiken für Jahrzehnte im Voraus liefern: genau das, was Küstengemeinden und die maritime Industrie benötigen, um sich an neue Muster des Wellenklimas und die Auswirkungen seltener, aber extrem starker Stürme anzupassen.

Erstellungszeitpunkt: 3 Stunden zuvor

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