Wellen

Von Wind erzeugte Wasserwellen bilden sich hauptsächlich über tiefen Wasser. Der Wind streicht über das Wasser und löst dabei eine Reibung an der Wasseroberfläche aus, welche dadurch dass sie ungleichmäßig ist Wellen auslöst. Wellen wachsen bei anhaltenden Wind immer weiter bis zu einem maximalen Punkt an.

Urheber: Noop1958 GNU Lizenz

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An diesem Punkt brechen die Wellen und die Wellenkämme bilden Schaumkronen, was durch die entstehende Turbulenz die Energie zunichte macht. Der Seegang steigt dann nicht weiter an, sondern gilt als ausgereift. Die Wellen bewegen sich dann mit einer bestimmten Geschwindigkeit fort und behalten auch bei  Aussetzen des Windes ihre Energie über eine große Lauflänge bei. Je länger der Wind über die Wellen streicht, desto mehr kleinere neue Wellen bilden sich, welche sich in Wellengruppen verbinden. Die Wellen werden immer länger und flacher, während die beinhaltende Gesamtenergie konstant bleibt. So kann man die lange und gleichmäßige Atlantikdünung deutlich von der chaotischen Ostsee oder einer kurzen und steilen Welle auf Binnenseen unterscheiden. So gleichmäßig und eintönig das Rauschen am Strand auch ist, so komplex ist die Wellenausbreitung auf dem hohen Meer und ganz besonders bei Sturm. Denn aus einer einzelnen Welle in Form einer Sinusschwingung entstehen durch Überlagerung Sets aus Wellen ganz unterschiedlicher Natur. Wasserwellen sind bedingt durch die Entstehung nicht gleichförmig wie eine mathematische Sinuswelle. Steile hohe „Brecher“ wechseln mit Sets aus kleineren Wellen bis wieder große Wellen folgen. Das scheinbare Durcheinander wird durch die Überlagerung von nicht harmonischen Wellen (unterschiedliche Wellenlänge = Periode) noch dazu mit unterschiedlichen Amplituden (Wellenhöhe) verursacht bis schließlich keine klare Struktur erkennbar ist. Neben der Überlagerung in gleicher Laufrichtung können sich Wellen aus verschiedenen Richtungen überlagern. Dies kann verursacht werden durch eine Winddrehung, insbesondere im Sturm in der Nähe des Tiefdruckkerns,  hinter einem Hindernis wie einer Insel wenn die am Strand entlanglaufenden Wellen sich wieder vereinigen oder wenn von einem Hindernis zurückgeworfene Wellen gegen die einlaufenden Wellen schlagen (Kabbelwasser).

Geht man nun vereinfachend von einer idealisierten harmonischen periodischen Welle aus, so lassen sich Wellen durch die:

  • Wellenausbreitungsrichtung (α)
  • Wellenhöhe (H)
  • Wellenlänge (L)
  • Wassertiefe (d)
    bestimmen lassen. Aus der Wellenlänge kann man die Wellenzahl ableiten: k = 2 π/L und statt der Wellenperiode die Kreisfrequenz der Welle: ω = 2 π/T so dass der Phasenwinkel als: θ = k*x-ω*t bestimmt ist. Daraus resultieren wieder 3 wichtige Verhältniswerte:
  • die relative Wassertiefe d/L
  • die Wellensteilheit H/L
  • die relative Wellenhöhe H/d

Deep_water_waveDurch die relative Wassertiefe lassen sich Wellen in Tiefwasserwellen  (d/L > 1/2), den Übergangsbereich (d/L <1/2 bis >1/20)  und Flachwasserwellen (d/L < 1/20) einteilen. Bei der Tiefwasserwelle (links oben) führen die Wasserteilchen Orbitalbahnen aus, die mit der Wassertiefe abnehmen. Die Teilchenbewegung reicht nicht bis zum Meeresgrund, sondern bei einer Tiefe von der Hälfte der Wellenlänge gerade noch 4%.  Bei den Wellen des Übergangsbereiches (links unten) werden im Bereich der Wellenkämme ebenfalls  Orbitalbewegungen vollzogen, die Wellentäler sind bedingt durch die Reibung am Grund jedoch abgeflacht, so dass die horizontale Bewegung überwiegt und kurz vor dem Grund nur noch ein hin- und her auf nicht mehr als Ellipsen wahrnehmbaren Bahnen erfolgt. Im Flachwasserbereich schwappt die Welle hingegen nur noch hin und her.

Bildquellen: (GNU ©© Kraaiennest); Inhaltsquellen: Kai-Uwe Graw; Wellenenergie