4.0 Ekstrembølger (monsterbølger)

Freak Waves (Rogue Waves)

4.1 Monsterbølgen ingen trodde fantes

Sjøfolk har gjennom tidene fortalt om 30 meter høye bølger, som uten forvarsel har dukket opp fra intet, med katastrofal virkning. Vitenskapsfolk har til ganske nylig ikke trodd at så store bølger kunne oppstå til havs, og historiene til skrekkslagne sjøfolk er blitt avfeid som skipperskrøner. Mystiske forlis har blitt tilskrevet rustdannelse eller menneskelige feil. Men 1. nyttårsdag 1995 hendte det noe som tvang forskermiljøene til å se nærmere på om de veletablerte teoriene holdt vann – bokstavelig talt.

4.11 Monsterbølgen kom 1. nyttårsdag.

1. januar 1995 brygget det opp til storm i Nordsjøen. Oljeplattformen Draupner lå 160 km fra land, og måleinstrumentene registrerte bølgehøyder på 12 meter. Da dukket det plutselig opp en bølge ut fra intet som var så høy og bratt at forskerne ikke trodde det var mulig. Bølgen målte 25,6 m og skulle i teorien bare kunne oppstå en gang hvert 10.000 år. Nyttårsbølgen sjokkerte alle «bølgespesialistene». Hendelsen fikk fart i nye forskningsstudier som hadde som mål å finne ut hvor ofte disse monsterbølgene egentlig dukket opp. Dersom de viste seg å opptre hyppigere enn forutsett, begynte man å ane en ny trussel mot offshore-installasjoner og skip. (Hustad 2003)

4.12 Når strøm og bølger møtes.

Arbeid ble satt igang for å forsøke å finne i hvilke havområder monsterbølgene opptrådte oftest. Rundt sørenden av Sør-Afrika går det millioner tonn gods hvert år.

Fig. 4.02 Når strøm og bølger møtes. (Hustad 2003)

I perioden 1990-2003 er 20 skip blitt ødelagt av bølger utenfor kysten av Sør-Afrika. Undersøkelser viste at alle ulykkesstedene lå langs den samme sterke havstrømmen Aguhlas-strømmen. En mente at i tilfeller der strømmen nordfra møtte bølger fra stormer i Sydishavet, kunne dette skape store problemer for skipene i området. Her lå forklaringen på gigantbølgene, mente enkelte, og alle skip fikk ordre om å holde seg borte fra disse farvannene, og heller velge andre ruter.

4.13 Forklaringsforsøk.

En ekstrembølge representerer en svært høy konsentrasjon av bølgeenergi i forhold til den midlere energien, for «nyttårsbølgen» var enerigitettheten ca. 18 ganger større enn den midlere. Hvorfra kjenner en fysiske effekter som gir en slik uvanlig høy konsentrasjon?

Når dybden blir mindre enn en halv bølgelengde, eller når bølgen møter en strøm, endres bølgens hastighet. Dersom strømmen varierer fra sted til sted, vil bølgenes forplantningsretning bli avbøyd (strømrefraksjon), og fokusering og defokusering av bølgeenergien kan oppstå. (Kjeldsen 1984) Mange tilfeller av ekstrembølger nær kysten kan forklares ved slike effekter, som f.eks. ved sydøst kysten av Sør-Afrika, hvor den kraftige Agulhas-strømmen går sydover og møter bølger fra stormer i Sydishavet. (Lavrenov 1998)

4.14 Nye og uforklarlige ekstrembølger.

I Sørishavet skjedde det noe i februar 2001, som ikke stemte med den nye forklaringen med havstrømmer. Cruisebåten Caledonian Star fikk problemer i Antarktis på tur ut av området. Mannskapet fikk melding om at et uvær var på gang, men ingen ble bekymret av den grunn. Skipet hadde ingen problemer med å mestre bølgehøydene på 12 meter. Men plutselig dukket det opp en bølge som var mer enn dobbelt så høy som de andre, en bølge som fortonet seg som et fjell av vann. Bølgen knuste de fleste instrumentene ombord, og med nød og neppe klarte Caledonian Star å komme seg i havn. Kort tid etter ble det tyske cruiseskipet Bremen utsatt for en lignende monsterbølge i det samme farvannet. Også dette skipet klarte seg, men med store skader. (Hustad 2003)

4.15 Mystiske forlis.

En tidligere professor i skipskonstruksjoner, skotten Douglas Faulkner, har forsket på mystiske forlis. Han har utarbeidet en oversikt over supertankeres forlis i perioden 1969 til 1994. Det var i alt 66 av dem. Faulkner mener at minst 22 supertankere, og 1542 liv, har gått tapt i monsterbølger. Tar vi med mindre fartøyer og marine konstruksjoner, vil antall ofre bli langt høyere. (Monsen 2004)

4.16 Nestenforlis og ekstrembølger.

Vi ser på noen flere tilfeller av nestenforlis: I oktober 1933 møtte USS Ramapo en bølge på ca. 34 m i nordlig del av Stillehavet.

I 1942 opplevde RMS Queen Mary en bølge på 28 m i Nordøst-Atlanteren.
I 1966 ble det i Norvest-Atlanteren ombord i Michelangelo målt en bølgekam på 24 m.
I februar 1995 møtte cruiseskipet RMS Queen Elizabeth Il en 29 meter høy bølge i NordAtlanteren: «En enorm vegg av vann, det så ut som om vi var på kollisjonskurs med klippene ved Dover», rapporterte kaptein Ronald Warwick etter at skipet klarte brasene. Han kunne ikke se over bølgen der han sto på brua på det store skipet. (Vogt 2004)

I 2004 ble det under orkanen Ivan gjort bunntrykkmålinger i Mexicogulfen og observert bølgehøyde på 27,7 m. (Wang et al. 2005). Forfatterne mente at maks bølgehøyde i stormen var ca. 40 m. Og til hjemlige trakter: I Skagerrak, 20. januar 2007, lå Color Lines ferge Prinsesse Ragnhild på været utenfor Kristiansand og fikk reparert de to vinduene i konferanseavdelingen forut i båten. Underveis fra Hirtshals til Stavanger slo en kraftig bølge over båten og knuste begge vinduene.
«Vannet fosset inn og ned trappene på flere dekk. Veldig mange om bord synes det var ubehagelig – og enkelte barn ropte at de trodde vi skulle drukne. Konferanseavdelingen er nå full av vann», forteller Petter Toftøy-Andersen til Aftenbladet.no. (Stueland 2007)

4.17 EU-prosjektet MaxWave.

De håndfaste historiene om nyttårsbølgen og RMS Queen Elisabeth II tidlig i 1995, og Caledonian Star og Bremen tidlig i 2001 ga fagfolk og sjøfartsmyndigheter et støkk. Forskning på monsterbølger skjøt fart. I 2000 bestemte EU at bølgene skulle finnes og startet forskningsprosjektet MaxWave. Forskerne tok i bruk radarsatellitter og har nå dokumentert at monsterbølgene oppstår hyppigere enn man trodde. Ekstreme værforhold har senket supertankere og containerfartøyer rundt om i verden de siste årene. Nå tror forskerne at kjempebølger kan forklare mange av forlisene.

«Monsterbølger kan ha senket mange fartøyer som har vært mindre heldige. Dårlig vær blir som regel angitt som eneste årsak. Etter å ha fastslått at disse bølgene eksisterer i et større antall enn det noen hadde forventet, blir neste skritt å se om de kan forutsees», uttaler Wolfgang Rosenthal, som har ledet det treårige Maxwave-prosjektet, på ESAs hjemmesider. (Vogt 2004)

«Den europeiske romfartsorganisasjonen (ESA) ga oss også tre ukers data – ca. 30.000 særskilte miniatyrbilder – fra omkring tidspunktet, hvor Bremen og Caledonian Star ble rammet. Bildene ble behandlet og undersøkt for ekstreme bølger i det tyske romfartssenteret DLR». På tross av den relativt korte perioden som dataene dekket, kunne MaxWave-teamet identifisere over ti gigantiske bølger rundt om i verden på over 25 meters høyde.

«Uten radarovervåking fra luften ville vi ikke ha hatt muligheter til å finne ut noe,» sier Rosenthal, leder for MaxWave-prosjektet som strakte seg over tre år. «Det eneste vi hadde å holde oss til var radarinformasjon fra oljeplattformer. Derfor var vi interessert i å benytte oss av ERS helt fra begynnelsen.»
ESAs tvillingsatellitter ERS-1 og 2 har begge en Syntetisk aperturradar (SAR) som hovedinstrument. SAR fungerer i flere ulike moduser. Når satellitten befinner seg over havet, er radaren i bølgemodus og søker over et utsnitt av havoverflaten på 10 x 5 km med 200 kilometers mellomrom.
Disse små utsnittene omformes deretter til gjennomsnittsverdier for bølgeenergi og -retning, såkalte havbølgespektre, ved hjelp av en matematisk beregningsmodell. ESA gir allmennheten tilgang til disse spektrene. De er nyttige hjelpemidler for meteorologiske institusjoner for å lage mer nøyaktige værprognoser for havområder.

4.18 WaveAtlas – hvor oppstår ekstrembølgene?

Et nytt forskningsprosjekt som har fått navnet WaveAtlas, bruker ERS-utsnitt innsamlet gjennom to år for å lage et globalt kart over kjempebølger og gjennomføre statistiske analyser på grunnlag av dette. Prosjektleder er Susanne Lehner, professor ved avdelingen for Applied Marine Physics ved Universitetet i Miami. Hun var også involvert i MaxWave sammen med Rosenthal ved DLR.

Noen sammenhenger er allerede funnet. Kjempebølger er ofte knyttet til steder der vanlige bølger møter havstrømmer og virvelstrømmer. Havstrømmen forsterker bølgeenergien ved å samle den på et lite område (Lehner sammenligner dette med en optisk linse). Dette gjelder spesielt i forbindelse med den nevnte Agulhas-strømmen utenfor østkysten av Sør-Afrika, men også andre havstrømmer, for eksempel Golfstrømmen i Nord-Atlanteren der den treffer bølger fra Labradorsjøen, kan knyttes til kjempebølger.

Men informasjonen viser også at kjempebølger kan oppstå langt fra havstrømmer, ofte i nærheten av værfronter og lavtrykk. Under langvarige stormer som varer i over 12 timer, kan vinden forstørre bølger som beveger seg i en optimal hastighet som er synkronisert med vinden. Hvis bølgene derimot beveger seg raskere eller langsommere enn stormen, vil de oppløse seg eller falle sammen.

«Vi har funnet noen av årsakene til at kjempebølger oppstår, men ikke alle,» avslutter Rosenthal.

4.19 Forskere fra Norge med i MaxWave.

Alastair D. Jenkins fra Geofysisk institutt ved Universitetet i Bergen deltok i MaxWave-prosjektet. Under «Fagleg-pedagogisk dag» 02.02.2007 på UiB holdt han et innlegg med tittelen: «Monsterbølger: Myte eller Virkelighet? En utfordring til sjøfarende og matematikere». Fra konklusjonen hans tar jeg med:

Årsaker til monster-, freak- eller roguebølger?

• Kombinering av bølgekomponenter med forskjellige frekvenser og/eller retninger
• Fokusering: Refraksjon pga. bunntopografi og/eller strømmønstre
• Ikkelineære effekter:
  • Småperturbasjoner av 2. eller høyere orden
  • «Solitoner»
  • Store perturbasjoner (bølger som bryter eller nesten bryter)

Oppsummering/konklusjon

• Ekstreme havbølger eksisterer og kan gjøre store skader
• men ser ut til å kunne forklares med «dagens teknologi»
• Forskere fra klassisk tid til nåtiden har bidratt til forklaringen (Jenkins 2007)

4.2 Hva teorien forteller oss

4.21 Lineær bølgeteori.

Bølger er altså et produkt av tre faktorer; vindstyrke, hvor lenge det blåser, og lengden på det åpne havstrekket. Blåser det f.eks. med orkans styrke tvers over hele Stillehavets 18.000 kilometer åpent hav, vil bølgene etter en time måle 4,2 m., og etter et døgn 14,1 m. Etter mer enn ett døgn med sammenhengende orkan kan den signifikante bølgehøyden være oppe i 20,7 m. Det er i henhold til tradisjonell bølgeteori, omtrent det høyeste en bølge kan bli.
Dette kalles lineær bølgeteori. Den lineære modellen gir teoretisk rom for høyere bølger enn 20 m., men bare som ytterst sjeldne fenomener. En snakker da om hundreårsbølgen, eller til og med en bølge per ti tusen år. (Monsen 2004)

4.22 Ikke-lineære bølger.

Den lineære modellen har ikke rom for ekstreme bølger. «Den enkleste måten uregelmessige bølger bygges opp på, er i henhold til sinuskurven, etter den lineære modellen. Dette er byggesteinen i det meste av beregningsverktøyet vi bruker i bølgeforskningen. For å beregne ekstrembølger derimot, brukes tilleggskomponenter, eller matematiske modeller som gir ikke-lineære bølger under forsøk», sier professor Dag Myrhaug ved NTNU til Gemini.

«Det som definerer en ekstrem og ikke-lineær bølge, er at den overstiger den signifikante bølgehøyden to til to og en halv gang. Men bølgedata vi har samlet inn, viser både tre ganger signifikant og mer i enkelte tilfeller», sier Myrhaug.
Teoretisk betyr dette at med en signifikant bølgehøyde på 12 m., noe som ikke er uvanlig, kan monsteret bli hele 36 m. høyt fra bølgedal til bølgetopp. (Monsen 2004)

Hva gjør enkeltbølger i et bølgetog så mye høyere enn bølgene rett foran og bak? Mange av de ikke-lineære teoriene har hentet inspirasjon fra kvantefysikkens verden. Schrødingers ligning er egentlig en matematisk metode for å studere atomære forhold, men den kan også brukes til å forklare ikke-lineære fenomener i bølgeverdenen. En forklaring sier at under visse ustabile forhold i bølgetoget vil enkeltbølger «stjele» energi fra nabobølgene, slik at bølgene foran og bak krymper, mens bølgen mellom vokser til å bli en ekstrembølge.

«Lange bølger er raskere enn korte bølger, og vi får den dynamikken en kaller fokusering», forklarer Myrhaug. Den voksende bølgen vil også endre form, bølgedalen blir grunnere samtidig som bølgetoppen vokser. Den blir også steilere i formen, en såkalt brytende bølge som til slutt samler så mye energi at den «knekker i toppen» og skyter ut vann framover og nedover. (Monsen 2004)

4.23 Målefeil i oljealderens barndom.

Da oljealderen gjorde sitt inntog i Norge, forlangte myndighetene at selskapene som skulle konkurrere om tildeling av blokker, måtte foreta bølgemålinger. Målingene som ble fortatt på 70- og 80-tallet ble et trist kapittel når det gjaldt ekstrembølger. Basert på kunnskapen på 70-tallet ble det benyttet en automatisk datakontroll. Denne identifiserte ekstraordinært store utslag av overflaten fra likevektsnivået.

av overflaten fra likevektsnivået. De som oversteg en viss terskel ble kategorisert som målefeil, og fjernet permanent fra tidsserien! Det kriteriet som ble brukt var at overflatens hevning over likevektsnivået ikke skulle overstige fem standardavvik σ. Dette er noe mer enn det som senere er blitt foreslått som nedre terskel for betegnelsen freakbølge, nemlig 4.4σ.

Danskene gikk ikke så drastisk til verks. Skourup et al. har sett på 12 års bølgedata fra Gorm feltet i Nordsjøen. De har analysert 1673 timer med stormbølgedata (66 stormer) fra dette materialet. For å forklare noen av deres resultater trenger vi å innføre et par begrep. Kamhøyden ac som angir høyden av en bølgekam i forhold til likevektsnivået, og standard-

avviket σ til overflatehevningen fra det samme nivået. Skourup analyserte bl.a. forekomsten av uventet store kamhøyder. Når kamhøyden ble større enn ca. fire og et halvt standardavvik (mer nøyaktig ac> 4.4σ), betegnet de bølgen som en «freak». I de 12 års bølgedata som ble analysert fant de ca. 500 freak-bølger. (Skourup et al. 1997).

analysert fant de ca. 500 freak-bølger. (Skourup et al. 1997). Et eksempel på en slik freak-bølge er vist i fig. 4.13. Det er denne som ble målt av Sverre Haver ved Draupnerplattformen i Nordsjøen 1. nyttårsdag i 1995, og som er blitt kjent i det internasjonale fagmiljøet som «Nyttårsbølgen». Kamhøyden var her 18.5 meter, mens standardavviket ble anslått til ca. 3 meter. (Haver 2004)

4.24 Ekstrembølgene kommer i svært korte grupper.

I lineær teori er overflatehevningen η bygget opp som summen av en mengde frekvenskomponenter som er uavhengige av hverandre. Fra «sentralgrensesetningen» i statistikken forventer en da at η har en normalfordeling (eller Gaussisk fordeling). Beregningen av sannsynlighetsfordelinger for bølgeparametre som kamhøyde ac bygger i lineær teori på denne antagelsen. Fra et slikt Gaussisk utgangspunkt vil kamhøyden ac ha en fordeling f(ac ) som nærmer seg en såkalt Rayleigh-fordeling for et bølgespektrum med liten frekvensbredde. (Rayleigh-fordelingen av amplituden a er gitt som a /σ2 exp(−a2 / 2σ2) hvor σ er standardavviket til overflaten. Sannsynligheten for at en bølge skal være en «freak» (ac>4,4σ) blir herfra ca. 6 •10−5).

Forventningsverdien for den maksimale kamhøyden E(ac max), ble funnet av Longuet-Higgins (1952) ut fra Rayleighfordelingen:

hvor N er antall bølger som analysematerialet bygger på. Dersom vi antar at materialet til Skourup et al. har en midlere bølgeperiode på 10 sekunder, inneholder det ca. 106 bølger. Innsatt i formelen ovenfor gir dette ≈5.3σ, som er signifikant mindre enn den observerte verdien ≈7.2σ . Betegnelsen freak-wave eller rogue-wave på representanter for denne overhyppigheten av ekstreme bølger, har lenge vært i bruk i fagmiljøet. (Dysthe 2001)

Skourup et al. gjorde også en annen interessant observasjon. De fant at forholdet mellom kamhøyden ac og dybden av den påfølgende bølgedalen varierte rundt en middelverdi på 0.7. Dersom freakbølgen var en del av et regulært bølgetog eller en større gruppe av bølger, skulle en forventet et forhold nær 0.5. Det ser ut til at den eneste mulige forklaring på dette er at ekstrembølgene kommer i svært korte grupper som illustrert under. Dette gir enda en betydning til betegnelsen freak-bølge. (Skorup et al. 1997)

4.25 Romlig fokusering.

Når dybden blir mindre enn en halv bølgelengde, endres bølgehastigheten. Det samme gjelder når bølgene møter en strøm. Dersom dybden og/eller strømmen varierer fra sted til sted, vil bølgene bli avbøyd og fokusering (og defokusering) av bølgeenergien kan oppstå.

4.26 Tid-rom fokusering.

Denne effekten benyttes i større bølgetanker under tester med skipsmodeller. En genererer et bølgetog hvor bølgelengden varierer, med de korteste bølgene først. De lange bølgene går fortere enn de korte og vil ta igjen disse, se fig. 4.19, og skape store bølger over en kort tid i et område (hvor en har plassert skipsmodellen). Dette er det omvendte av hva som skjer når en stein blir kastet i vannet, etter kort tid vil bølgene ordne seg med de lengste foran og de korteste bak.