Wie aus Mikrowellen Monster werden

Marburger und US-amerikanische Physiker haben experimentell nachvollzogen, wie sich Riesenwellen auf hoher See aufbauen. Um im Labor deren Entstehung zu simulieren, untersuchen die Wissenschaftler um Professor Dr. Hans-Jürgen Stöckmann und Dr. Ulrich Kuhl von der Philipps-Universität, wie sich Mikrowellen ausbreiten. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Die Wissenschaftler stellten mit Mikrowellen nach, wie Riesenwellen entstehen. (Abb.: AG Quantenchaos, Am. Phys. Soc.)

Schiffe im Ozean werden immer wieder von großen Wellen überrascht. „Von diesen Monsterwellen berichten Seeleute seit Jahrhunderten, dennoch ist das Phänomen in weiten Teilen noch immer unverstanden“, erklärt Stöckmann. Das einfachste Modell geht davon aus, dass sich die Wellenmuster durch eine zufällige Überlagerung ebener Wellen aufbauen, die aus unterschiedlichen Richtungen mit unterschiedlichen Frequenzen einfallen. Dieses Modell unterschätzt aber stark, wie häufig Wellen mit extrem hohen Amplituden auftreten. Man geht daher davon aus, dass Nichtlinearitäten erforderlich sind, um die beobachteten Amplitudenverteilungen zu erklären.

Doch bereits im linearen Bereich sollten große Wellen deutlich wahrscheinlicher sein, als vom einfachen Modell vorhergesagt. Ausgangspunkt der vorliegenden Studie war die Überlegung, dass großräumige Wirbelfelder auf offener See zu besonders hohen Amplituden führen könnten. In einem ähnlichen Modell wurde vorgeschlagen, dass Variationen der Wassertiefe in Küstennähe zur Verstärkung von Tsunamis führen.

Diese Hypothesen konnten jetzt durch das Marburger Mikrowellenexperiment bestätigt werden. „Dabei wurde der Transport von Mikrowellen durch eine Potentiallandschaft studiert“, erläutert Stöckmann. Die Messungen bestätigten die Vorhersagen und zeigten eine Häufigkeit der extremen Amplituden, die um viele Größenordnungen über der Vorhersage durch das einfache Modell lag.

Originalveröffentlichung: Ruven Höhmann & al.: Freak Waves in the Linear Regime: A Microwave Study. Phys. Rev. Lett. 104 (2010), 093901-1, doi: 10.1103/PhysRevLett.104.093901.

Weitere Informationen:

Ansprechpartner: Professor Dr. Hans-Jürgen Stöckmann,
AG Quantenchaos
Tel.: 06421 28-24137
E-Mail: stoeckmann@physik.uni-marburg.de

Internet: www.physik.uni-marburg.de/de/forschung/quantenchaos/ag-startseite.html