Monstergolven overschrijden alle bekende grenzen

Golven die uit meerdere richtingen komen zijn extremer dan extreem. Diepzeegolven kunnen vier keer zo steil zijn als tot nu toe werd gedacht, blijkt uit onderzoek van de TU Delft en andere universiteiten.

Lang geleden werden er al verhalen verteld over mysterieuze monstergolven die uit het niets verschenen en zelfs de grootste schepen omver konden werpen. Moderne hydrografische inzichten spraken het bestaan van zulke golven echter lang tegen: alleen in de Zuidelijke Oceaan, waar de golven niet door de continenten in lengte beperkt worden, zouden golven van ruim dertig meter hoog zich zonder te breken kunnen opbouwen. In de Noordelijke Atlantische Oceaan zou dat echter onmogelijk zijn. Met die wetenschap konden ook de filmbeelden uit ‘The Perfect Storm, waarin een groot visserschip letterlijk door zo’n monstergolf ‘kop over kont’ ondersteboven wordt gegooid, naar het rijk der fabelen worden verwezen. Tot de eerste echte monstergolf werd geregistreerd bij het Draupner-platform in de Noordzee.

Reconstructie

In 2018 slaagden Ton van den Bremer en zijn collega’s van de universiteiten van Edinburgh en Oxford er voor het eerst in om de Draupner-golf na te bootsen in het laboratorium, en deze kans om de ongebruikelijke golven van dichtbij te bestuderen leverde onverwachte inzichten op.
Nieuw onderzoek door het onderzoeksconsortium toont namelijk aan dat deze opmerkelijke golven niet altijd breken, wanneer dat volgens traditionele theorieën wel zou moeten.
Van den Bremer, expert op het gebied van vloeistofmechanica aan de TU Delft en leider van het onderzoek, legt uit: ‘Als de meeste mensen aan golven denken, denken ze aan de rollende golven die je op een strand vindt. Het type golf dat wij bestudeerden komt voor in open water en ontstaat wanneer golven uit meerdere richtingen samenkomen. Wanneer deze golven met een grote richtingsspreiding samenkomen, wordt het water omhoog geduwd en vormt het een gedeeltelijk staande golf. Een voorbeeld hiervan staat bekend als een kruisgolf.

Hoe kruisende golven ontstaan

Onder bepaalde omstandigheden op zee ontstaan golven uit meerdere richtingen. Dit kan gebeuren op een plek waar twee zeeën samenkomen of waar de wind plotseling van richting verandert, zoals bij een orkaan. Als golven uit twee richtingen samenkomen, ontstaat er een kruisgolf, mits hun richtingen ver genoeg uit elkaar liggen. Het onderzoek toont ook aan dat hoe verder de richtingen uit elkaar liggen, hoe hoger de resulterende dwarsgolf.
Bewegende golven breken wanneer ze een bepaalde grens bereiken, dit is wanneer ze hun maximale steilheid bereiken. Het onderzoek toont aan dat golven met een multidirectionele spreiding wel tachtig procent steiler kunnen worden dan deze limiet voordat ze beginnen te breken, wat betekent dat ze bijna twee keer zo hoog kunnen worden als “normale golven” voordat ze beginnen te breken.

Brekende golven die groeien

Vervolgens vonden de onderzoekers een ander zeer ongebruikelijk fenomeen dat bestaande theorieën tart, en dat volgens Van den Bremer ongekend is: “Zodra een conventionele golf breekt, vormt deze een witte kap en is er geen weg meer terug. Maar als een golf met een hoge richtingsspreiding breekt, kan hij blijven groeien.’
Het onderzoek toont aan dat deze enorme golven tijdens het breken kunnen groeien tot twee keer hun oorspronkelijke steilheid, wat al twee keer groter is dan de conventionele limiet. Samen kunnen de golven vier keer steiler worden dan eerder voor mogelijk werd gehouden.

Schade aan offshore-constructies

De kennis dat multidirectionele golven wel vier keer zo groot kunnen worden dan mogelijk werd geacht, kan helpen bij het ontwerpen van veiligere constructies op zee.
De driedimensionaliteit van golven wordt vaak over het hoofd gezien bij het ontwerp van offshore windturbines en andere constructies in het algemeen. “Onze bevindingen suggereren dat dit leidt tot ontwerpen die minder betrouwbaar zijn,” zegt Mark McAllister van de Universiteit van Oxford, die de experimenten leidde en nu seniorwetenschapper is bij Wood Thilsted.

Innovatieve 3D-meetmethode

Een 3D-meetmethode die in het FloWave-lab werd ontwikkeld, maakte de weg vrij voor deze nieuwe inzichten. Conventionele 2D-golfmeetmethoden waren niet opgewassen tegen de taak,” legt Van den Bremer uit, en daarom ontwierp de onderzoeksgroep een nieuwe manier om 3D-golfmetingen te doen.
Ross Calvert van de Universiteit van Edinburgh: “Dit is de eerste keer dat we golfhoogten met zo’n hoge ruimtelijke resolutie over zo’n groot gebied kunnen meten, waardoor we een veel gedetailleerder inzicht krijgen in het complexe golfbreekgedrag.”

Bron: een artikel van Mariska Buitendijk in de nieuwsbrief van SWZ Maritime, (met animatie).
Beeld: De Grote Golf, Japanse houtsnede van Katsushika Hokusai (1760-1849).